ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Давыдов, Ю. А. Исследование сил, действующих на защелку вакуумного выключателя ВБО-25-20/630 УХЛ1 / Ю. А. Давыдов, О. О. Мухин, В. В. Заболот-ный. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). - С. 2 - 11.

Davydov Yu. A., Mukhin O. O., Zabolotny V. V. Research of the forces acting on the latch of the vacuum switch VBO-25-20/630 UHL1. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 2 - 11 (In Russian).

УДК 629.423:621.311.004.18

А. А. Бакланов, А. П. Шиляков

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Аннотация. Целью работы является исследование и оценка энергетической эффективности рекуперативного торможения электровоза при движении грузового поезда с неустановившейся и установившейся скоростью, определение степени влияния на возврат электроэнергии различных факторов, прежде всего массы поезда, скорости движения, сопротивления движению, крутизны уклона профиля пути, условий движения, КПД тяговых электродвигателей и собственных нужд электровоза. Цель исследования заключается также в разработке рекомендаций по повышению энергетической эффективности рекуперативного торможения грузового электровоза.

Использованы методы математического анализа, методы тяговых расчетов и энергетического баланса.

Рассмотрены уравнения энергетического баланса движения грузового поезда и его составляющих в режиме рекуперативного торможения, позволяющие выявить основные факторы, влияющие на возврат электроэнергии при неустановившейся и установившейся скорости движения. Получены расчетные зависимости возврата электроэнергии при рекуперативном торможении электровоза с грузовыми груженым и порожним поездами, состоящими из 71 четырехосного вагона, при движении со снижением скорости и неизменной скоростью на участках пути с уклонами различной крутизны, характеризующие влияние отдельных факторов на возврат электроэнергии при рекуперативном торможении электровоза. Показано, что удельный возврат электроэнергии при рекуперативном торможении электровоза с грузовым груженым поездом массой 7100 т при движении со снижением скорости на участке пути с нулевым профилем получается примерно такой же, как при установившейся скорости движения на спусках крутизной 6...7 %о. Удельный возврат электроэнергии при рекуперативном торможении электровоза с грузовым порожним поездом массой 1775 т при движении со снижением скорости на участке пути с нулевым профилем получается примерно такой же, как при установившейся скоростью движения на спусках крутизной 11 % и более.

Определены условия, при которых достигается максимальный возврат электроэнергии при рекуперативном торможении грузовых электровозов. Разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности рекуперативного торможения грузовых электровозов.

Ключевые слова: грузовой электровоз, масса поезда, скорость движения, рекуперативное торможение, возврат электроэнергии.

Alexander A. Baklanov, Andrey P. Shilyakov

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

ENERGY EFFICIENCY REGENERATIVE BRAKING FREIGHT ELECTRIC LOCOMOTIVES

Abstract. The aim of the work is to study and evaluate the energy efficiency of regenerative braking of an electric locomotive when a freight train is moving at an unsteady and steady speed, to determine the degree of influence on the return of electricity of various factors, first of all, the mass of the train, the speed of movement, resistance to movement, the steepness of the slope of the track profile, driving conditions, the efficiency of traction motors and the needs of an electric locomotive own needs. Also, the purpose of the study is to develop recommendations for improving the energy efficiency of regenerative braking of an electric freight locomotive.

Methods used: mathematical analysis, methods of traction calculations and energy balance.

1

The equations of the energy balance of the movement of a freight train and its components in the mode of regenerative braking are considered, which make it possible to identify the main factors affecting the return of electricity at unsteady and steady speed. The calculated dependences of the return of electricity during regenerative braking of an electric locomotive with loaded and empty freight trains consisting of 71 four-axle cars, when moving with reduced speed and constant speed on sections of track with slopes ofdifferent steepness, characterizing the influence of individualfactors on the return of electricity during regenerative braking ofan electric locomotive, are obtained. It is shown that the specific return of electricity during regenerative braking of an electric locomotive with a loadedfreight train weighing 7100 tons when moving with a decrease in speed on a track section with a zero profile is approximately the same as with a steady speed of movement on descents with a steepness of 6 ...7 %. The specific return of electricity during regenerative braking of an electric locomotive with an empty freight train weighing 1775 tons when moving with a decrease in speed on a track section with a zero profile is approximately the same as with a steady speed on descents with a steepness of 11 % or more.

The conditions under which the maximum return of electricity is achieved during regenerative braking of electric freight locomotives are determined. Recommendations have been developed to improve the energy efficiency of regenerative braking of electric freight locomotives.

Keywords: electric freight locomotive, train weight, speed of movement, regenerative braking, return of electricity.

В «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» и в «Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года» указано, что одним из важнейших направлений снижения энергозатрат является энергосбережение. Из всей потребляемой железнодорожным транспортом электроэнергии свыше 85 % расходуют электрифицированные железные дороги, поэтому сокращение расхода электроэнергии на тягу поездов имеет первостепенное значение.

Электроподвижной состав (ЭПС), как известно, благодаря свойству обратимости электрических машин - тяговых электродвигателей (ТЭД) - обладает возможностью электрического торможения, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую. Из двух видов электрического торможения на ЭПС - рекуперативного и реостатного - первое используется предпочтительнее при вождении грузовых поездов и чаще прежде всего в связи возможностью сокращения потребления электроэнергии в целом на тягу.

Из практики известно, что наибольшую эффективность имеет рекуперативное торможение (РТ) грузовых электровозов. Поэтому изначально практически все грузовые электровозы постоянного тока оснащаются системами рекуперативного торможения. После освоения промышленностью выпуска управляемых силовых полупроводниковых вентилей (тиристоров), позволяющих создавать управляемые силовые преобразователи, системами рекуперативного торможения стали оснащаться грузовые и пассажирские электровозы переменного тока [1 - 4]. Перспективным представляется оборудование системами рекуперативного торможения пассажирских электровозов постоянного тока, которое также позволит повысить их энергетическую эффективность [5].

Опытные поездки с грузовыми электровозами и отчетные данные локомотивных депо показывают, что рекуперативное торможение с грузовыми поездами, особенно гружеными на участках с холмистым профилем пути, позволяет возвращать в тяговую сеть до половины и более потребленной электроэнергии. Так, во время испытаний нового грузового электровоза переменного тока 2ЭС5С, оснащенного бесколлекторным асинхронным тяговым электроприводом, на участке Артышта II - Алтайская с грузовым поездом повышенной массы 7100 т возврат электроэнергии в режиме рекуперативного торможения достигал 53 %. В эксплуатационных локомотивных депо, бригады которых работают на участках с благоприятным для применения рекуперативного торможения профилем пути, суммарный возврат электроэнергии в тяговую сеть достигает 20 % и более от потребленной энергии.

С целью повышения эффективности рекуперативного торможения на грузовых электровозах необходимо четко представлять факторы, влияющие на возврат электроэнергии, условия максимального возврата энергии, пути увеличения возврата электроэнергии и т. п. Эти и другие вопросы рекуперативного торможения грузовых электровозов будут рассмотрены ниже.

Энергетическую эффективность рекуперативного торможения в эксплуатации оценивают разными показателями, основными из них являются полный и удельный возврат электроэнергии, коэффициент возврата энергии [1, 6]. Для более детального рассмотрения этих показателей и оценки влияния на них различных эксплуатационных факторов запишем уравнение баланса энергии в режиме рекуперативного торможения грузового электровоза [7, 8]:

А = 4д+Ан = А\ + 4,н =(А + А + 4.о + 4,рк + Ан,

где Аэд - электрическая энергия, выработанная ТЭД электровоза;

Ад - механическая энергия, преобразуемая ТЭД в электрическую энергию;

Ак, Ап - изменения кинетической и потенциальной энергии поезда;

Ас.о, Ас.кр - затраты энергии на преодоление основного и дополнительного от кривых сопротивления движению;

Пд - КПД ТЭД электровоза в режиме рекуперативного торможения;

Ас.н - затраты энергии на собственные нужды электровоза.

Из уравнения (1) видно, что количество механической энергии, которое может быть преобразовано в электрическую в процессе торможения, определяется изменениями кинетической и потенциальной энергии поезда и затратами энергии на преодоление основного и дополнительного от кривых сопротивления движению, характеризуемых выражениями:

Ак = тки

у22 - Vт 2

Ап = mgiL,

Ас.о = mgwoL; Ас.кр = т^крL ,

где т = т + п т - масса поезда;

тл, тв - массы локомотива и вагона; пв - число вагонов в составе поезда;

ки - коэффициент инерции вращающихся частей поезда [9];

VI, V - начальная и конечная скорости на участке рекуперативного торможения;

g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения;

^ L -крутизна уклона и длина участка рекуперативного торможения; '№0, - удельные основное и дополнительное от кривых сопротивления движению. Затраты энергии на собственные нужды электровоза определяются их мощностью Рс.н и временем движения Т в режиме рекуперативного торможения:

Асн = РснТ.

Удельные значения отдельных составляющих, характеризуемых выражениями (2) - (6), и возврата электроэнергии в целом для электровоза в режиме РТ определяются по формуле, кВт-ч/104 ткм:

А-104

тс L

где тй = твПв - масса состава вагонов, т.

Относительным показателем эффективности РТ является коэффициент возврата электроэнергии, который оценивают для одной поездки или для всей совокупности поездок на данном участке по формуле:

аэ =

=^

где Аэр - полный возврат электроэнергии в режиме РТ;

Аэт - полное потребление электроэнергии в режиме тяги.

С использованием формул (1) - (8) выполнены многочисленные расчеты параметров рекуперативного торможения разных электровозов с грузовыми поездами разной массы при различных условиях движения. В качестве примера рассмотрим применение РТ с грузовыми груженым и порожним поездами для снижения скорости и поддержания заданной скорости движения на спусках. В первом случае РТ производится от начальной скорости до достижения некоторой минимальной скорости, ограниченной какими-либо условиями, во втором случае РТ на спуске реализуется обычно при постоянной скорости движения.

Для оценки возврата электроэнергии при движении электровоза постоянного тока 2ЭС6 в режиме РТ с грузовым поездом для случая снижения скорости от максимального значения до минимального примем следующие исходные данные: участок пути прямой с нулевым уклоном; путь бесстыковой; диапазон измененения скорости движения V = 120...15 км/ч; масса электровоза тл = 200 т; КПД тяговых двигателей в режиме РТ Пд = 0,8; мощность собственных нужд электровоза Рс.н = 120 кВт; коэффициент инерции вращающихся частей поезда К = 1,06; масса состава груженых вагонов тс = 7100 т; масса состава порожних вагонов тс = 1775 т; количество вагонов Пв = 71; грузовые вагоны 4-осные на подшипниках качения.

Максимальная тормозная сила электровоза ограничивается сцеплением колес с рельсами и характеризуется выражением [9, 10]

Вк.сц = тл ЯУк. р,

где ук. р - коэффициент сцеплением колес электровоза с рельсами.

Согласно Правилам [10, 11] в режиме РТ коэффициент сцепления принимается равным 0,8 от коэффициента сцепления в режиме тяги, т. е. ук. р = 0,8ук. Применительно к грузовому электровозу постоянного тока серии 2ЭС6 с рекуперативным торможением коэффициент сцепления в режиме тяги определяется по формуле

3

ш = 0,28 +--0,0007V.

к 50 + 20V

Тогда при начальной скорости торможения 120 км/ч коэффициент сцепления в режиме РТ укр = 0,8  0,196 = 0,157 и максимальная тормозная сила электровоза, ограниченная сцеплением колес с рельсами, Вк. сц = 308,3 кН. При заданной минимальной скорости 15 км/ч в режиме РТ коэффициент сцепления ук. р = 0,8  0,272 = 0,218 и максимальная тормозная сила электровоза Вк.сц = 427,5 кН. Следовательно, максимальная тормозная сила электровоза не превышает допустимое значение 500 кН, рекомендуемое по условиям безопасности движения для предотвращения выжимания вагонов.

Кривые движения и энергетические показатели электровоза постоянного тока 2ЭС6 с грузовыми груженым поездом массой 7100 т и порожним поездом массой 1775 т в режиме РТ при снижении скорости движения от 120 км/ч до 15 км/ч на прямом участке с нулевым профилем пути приведены на рисунке 1. В расчетах использованы максимальная тормозная сила электровоза по условиям сцепления колес с рельсами, а также формулы для определения удельного основного сопротивления движению подвижного состава на бесстыковом пути, взятые из Правил тяговых расчетов [10].

Анализ полученных кривых движения показывает, что в режиме РТ грузового электровоза при снижении скорости от 120 до 15 км/ч на участке пути с нулевым уклоном пройденный путь составляет с поездом массой 7100 т L = 8807 м и массой 1775 т - L = 2579 м; время движения - соответственно Т = 468,6 с = 7,8 мин и Т = 137,2 с = 2,3 мин; средняя скорость -соответственно Кср = 68,7 км/ч и Vср = 67,7 км/ч; ускорение (замедление) поезда -

соответственно в диапазоне и = -0,061...-0,065 м/с2 и и = -0,21...-0,22 м/с2. Полный возврат электроэнергии электровоза в тяговую сеть составляет с поездом массой 7100 т Аэ = 676,3 кВт • ч и массой 1775 т - Аэ = 198,0 кВт • ч; удельный возврат электроэнергии -соответственно в диапазоне аэ = 95.125 кВт • ч/104 ткм и аэ = 382.501 кВт • ч/104 ткм; расход электроэнергии на собственные нужды электровоза - соответственно Ас. н = 15,6 кВт • ч и Ас.н = 4,6 кВт-ч.

км/ч.. кВтч ОД4 ТКМ

К а.

140 120 100 80 60 40 20 0

V /

У /

т

\

\

700

с, к.Вт-ч 600

500 400

300 Т>А>

200 100

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 м У000 I -£

а

250

КМ'Ч. с. кВт ч

К Т. А,

200

150

100

50

V У /

\

500

КЁ1Ч

I О4 ткм 400

300

200

100

0

О 500 1000 1500 2000 2500 м 3000

б

Рисунок 1 - Кривые движения на площадке грузового поезда массой состава 7100 т (а) и 1775 т (б) в режиме рекуперативного торможения электровоза при снижении скорости от 120 до 15 км/ч

Для оценки возврата электроэнергии в режиме РТ электровоза с грузовыми груженым и порожним поездами при движении на спусках различной крутизны с постоянной скоростью приняты такие же исходные расчетные параметры локомотива и состава вагонов, как при торможении со снижением скорости. Рассчитанные кривые удельного возврата электроэнергии грузового электровоза в режиме РТ для этих случаев приведены на рисунке 2.

200 кВтЧ

104 там 160

120

80

40

0 20 ДО 60 80 100 120 км ч 140

V -V

б

Рисунок 2 - Удельный возврат электроэнергии грузового электровоза в режиме рекуперативного торможения при движении с составом массой 7100 т (а) и 1775 т (б) с установившейся скоростью на спусках различной

крутизны

Поскольку полученные зависимости, приведенные на рисунке 2, при определенной скорости движения достигают максимальных значений, исследуем их на экстремум. Для этого на основании энергетического баланса движения поезда с установившейся скоростью запишем уравнение удельного возврата электроэнергии в режиме РТ грузового электровоза, кВт • ч/104 ткм:

а = 27,25к л и — м — м )—

' т.л 1д \ о с.кр /

Рс.н • 10/

тУ

т„

где ктл = 1 н—л - коэффициент влияния массы локомотива на удельный возврат энергии.

тс

Приравняв к нулю первую производную этого уравнения по скорости, после преобразований получим кубическое уравнение

ЬУ3 + У + й = 0,

а

где Ь, с, й- коэффициенты, характеризуемые выражениями:

Ь = 27,25кт л • 2е2-

' т.л 'д 2'

с = 27,25кт лл де, •

" т.л 'д 1 '

Р •Ю4 й =--^-

т

Коэффициенты е1, е2 в выражениях (13) и (14) соответствуют формуле удельного основного сопротивления движению поезда, получаемой, в свою очередь, из формул удельного основного сопротивления движению электровоза под током и грузовых вагонов:

Мо = е0 + еу + еу2.

Формулы удельного основного сопротивления движению для принятых параметров поездов имеют вид, Н/кН: груженый поезд -

порожний поезд

мо = 0,85 + 0,000372 V + 0,0000847 V2;

мо = 1,25 + 0,0137 V + 0,000313 V2

С учетом принятых выше исходных данных запишем кубическое уравнение для режима РТ электровоза:

с груженым поездом -

0,003797 V3 + 0,008338У2 —169,014 = 0;

с порожним поездом

0,01518 V3 + 0,3323 V2 — 676,0 = 0.

Кубическое уравнение можно решить в радикалах с помощью формулы Кардано, подстановки Виета и другими способами [12, 13]. Воспользовавшись способом Кардано, с помощью

подстановки V = у - — запишем кубическое уравнение в приведенной форме:

3Ь

у3 + 3 ру + 2q = 0,

3 Ь — с 2 2 с 3 —

в котором 3 р = 3 Ь 2с ; 2 а = -^Ц- + — .

и 3 Ь2 4 27 Ь3 Ь

Анализ данных показывает, что дискриминант кубического уравнения больше нуля, т. е.

D=р3 + а2 > 0.

В таком случае кубическое уравнение имеет один вещественный корень и два комплексно сопряженных корня, при этом действительный корень равен сумме вспомогательных величин у = и + ^, которые характеризуются выражениями:

и

д2 + р3;

*=3 —а—V 'а2 + р3.

№ 4(48) 2021 ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17

После выполнения соответствующих вычислений с учетом принятых выше исходных данных получим значения энергооптимальной установившейся скорости движения грузового поезда, позволяющей получить максимальный удельный возврат электроэнергии в режиме РТ электровоза, которые согласуются с зависимостями, приведенными на рисунке 2:

груженый поезд массой состава 7100 т - Vопт = 34,7 км/ч;

порожний поезд массой состава 1775 т - Vопт = 29,5 км/ч.

Анализ полученных результатов показывает следующее.

1. Рекуперативное торможение электровоза с грузовым поездом имеет высокую энергетическую эффективность, поскольку позволяет возвращать в тяговую сеть значительное количество электроэнергии, при этом экономия энергозатрат на тягу может достигать 50 % и более. Уравнения энергетического баланса движения электровоза с грузовым поездом, выполненные расчеты и эксперименты показывают, что на энергетическую эффективность рекуперативного торможения влияет много факторов, прежде всего масса поезда, скорость движения, сопротивление движению, крутизна уклона профиля пути, условия движения, КПД тяговых электродвигателей, собственные нужды электровоза. Разумеется, энергетическая эффективность рекуперативного торможения в определенной степени зависит также от метеорологических условиий, технического состояния подвижного состава и инфраструктуры, квалификации машинистов, наличия потребителей рекуперируемой энергии на межподстанционной зоне и других факторов, которые в данной работе не рассматривались.

2. С целью повышения энергетической эффективности и увеличения возврата электроэнергии в тяговую сеть рекуперативное торможение грузовых поездов, позволяющее экономить значительное количество электроэнергии, целесообразно применять не только при движении на спусках, но и перед местами с ограничениями скорости и остановками на станциях. По графикам, приведенным на рисунках 1 - 2, видно, что при рекуперативном торможении электровоза с груженым грузовым поездом массой 7100 т на площадке, т. е. на участке пути с нулевым уклоном, удельный возврат электроэнергии находится на уровне 100. 120 кВт • ч/104 ткм, т. е. получается примерно такой же, как при торможении с установившейся скоростью на спусках крутизной -6.-7 %о. При рекуперативном торможении порожнего грузового поезда массой 1775 т на площадке удельный возврат электроэнергии в диапазоне скорости 120.100 км/ч составляет около 200 кВт • ч/104 ткм, т. е. получается примерно такой же, как при торможении с установившейся скоростью на спусках крутизной -11 %о и более. Конкретное значение возврата электроэнергии зависит от массы поезда, начальной скорости рекуперативного торможения, крутизны и протяженности спусков и других факторов. В любом случае рекуперативное торможение электровоза с поездом, особенно большой массы, перед местами с ограничениями скорости движения и остановок целесообразно применять для снижения скорости движения только при наличии достаточного запаса времени и расстояния до таких мест. Из графиков на рисунке 1 видно, что для снижения скорости движения в режиме РТ на одинаковую величину для груженого поезда по сравнению с порожним требуется значительно большие путь и время.

3. В режиме рекуперативного торможения при снижении скорости движения поезда на площадке удельный возврат электроэнергии возрастает, поскольку увеличивается тормозная сила электровоза и уменьшается сопротивление движению (см. рисунок 1). Например, при снижении скорости движения с 60 до 40 км/ч груженый грузовой поезд массой 7100 т проходит путь 1242,9 м за время 89,9 с, при этом удельный возврат электроэнергии возрастает с 115,1 до 121,1 кВт • ч/104 ткм, а полный возврат электроэнергии составляет 104,2 кВт • ч (рисунок 1, а). При таком же снижении скорости порожний грузовой поезд массой 1775 т проходит путь 364,0 м за время 26,3 с, при этом удельный возврат электроэнергии возрастает с 460,3 до 484,4 кВт • ч/104 ткм, а полный возврат электроэнергии составляет 30,5 кВт • ч (рисунок 1, б).

При прочих равных условиях полный возврат электроэнергии в режиме РТ тяжелого груженого поезда больше, чем порожнего поезда, хотя у последнего удельный возврат электроэнергии выше.

4. Рекуперативное торможение электровоза с грузовыми поездами, особенно большой массы, имеет наиболее высокую эффективность на спусках. При движении на спуске неизменной крутизны удельный возврат электроэнергии электровоза принимает максимальное значение при определенной установившейся скорости (см. рисунок 2), при большей или меньшей скорости удельный возврат электроэнергии снижается, причем у порожнего грузового поезда его снижение больше, чем у груженого. Это обусловлено влиянием основного сопротивления движению, которое у порожнего поезда значительно больше, чем у груженого.

С увеличением крутизны спуска при прочих равных условиях возврат электроэнергии электровоза в режиме РТ возрастает пропорционально крутизне уклона. На спуске одинаковой крутизны полный возврат электроэнергии электровоза с груженым поездом больше, чем с порожним, хотя удельный возврат электроэнергии с порожним поездом больше, чем с груженым.

5. Полученные выше значения энергооптимальной установившейся скорости, при которых достигается максимальный удельный возврат электроэнергии электровоза в режиме РТ, равные для груженого поезда 34,7 км/ч (рисунок 2, а) и для порожнего поезда 29,5 км/ч (рисунок 2, б), при нормальных условиях не позволяют реализовать установленный график движения грузовых поездов, так как увеличивается перегонное время хода. Для выполнения установленного графика движения поездов необходимо поддерживать более высокую скорость, не менее 70 км/ч. Расчеты показывают, например, что при скорости движения 70 км/ч на спуске крутизной 7 %о удельный возврат электроэнергии электровоза с груженым поездом массой 7100 т составляет 125,5 кВт • ч/104 ткм, который меньше наибольшего удельного возврата электроэнергии 130,4 кВт • ч/104 ткм при скорости 34,7 км/ч на 3,7 % (см. рисунок 2, а). Аналогично при движении электровоза с порожним поездом массой 1775 т со скоростью 70 км/ч на спуске крутизной 7 %о удельный возврат электроэнергии составляет 69,2 кВт • ч/104 ткм, который меньше наибольшего удельного возврата электроэнергии 100,0 кВт • ч/104 ткм при скорости 29,5 км/ч на 30,8 % (см. рисунок 2, б).

Следовательно, у груженого грузового поезда по сравнению с порожним поездом при высокой скорости движения удельный возврат электроэнергии снижаетя незначительно по отношению к энергооптимальной скорости, поэтому рекуперативное торможение груженого поезда в области больших скоростей движения имеет достаточно высокую энергетическую эффективность.

6. Таким образом, наибольшую эффективность и максимальный возврат электроэнергии в тяговую сеть, т. е. наибольшую экономию энергии на тягу, рекуперативное торможение имеет при вождении грузовых поездов большой массы с энергооптимальной или близкой к ней скоростью на уклонах большой крутизны с использованием режимов работы электровозов с наивысшим КПД тяговых электродвигателей и минимальным энергопотреблением на собственные нужды электровозов.

7. Полученные результаты, характеризующие влияние основных факторов на возврат электроэнергии в режиме рекуперативного торможения электровоза с грузовыми поездами, в том числе подход к поиску экстремума удельного возврата энергии и определению энергооптимальных значений установившейся скорости движения по критерию максимума возврата энергии в тяговую сеть, при различных условиях движения позволяют разрабатывать рациональные по энергозатратам режимы вождения грузовых поездов.

Список литературы

1. Бакланов, А. А. Пути повышения энергоэффективности применения систем рекуперативного торможения на Красноярской железной дороге / А. А. Бакланов, С. В. Швецов, А. П. Шиляков. - Текст : непосредственный // Эксплуатационная надежность локомотивного

парка и повышение эффективности тяги поездов : материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Омск : Омский государственный университет путей сообщения, 2012. - С. 300-308.

2. Мазнев, А. С. Повышение эффективности электроподвижного состава / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев. - Текст : непосредственный // Железнодорожный транспорт. - 2010. -№ 9. - С. 33-36.

3. Мельниченко, О. В. Повышение энергетических показателей электровозов / О. В. Мельниченко, Ю. В. Газизов. - Текст : непосредственный // Железнодорожный транспорт. - 2010. -№ 3. - С. 50-51.

4. Сопов, В. И. Количественная оценка объемов энергии тяги и торможения на основе обработки экспериментальных данных / В. И. Сопов, А. А. Штанг, Е. А. Спиридонов. - Текст : непосредственный // Транспортные системы Сибири : материалы международной научно-технической конференции. - Красноярск : Красноярский гос. техн. ун-т., 2004. - С. 143.

5. Бакланов, А. А. Повышение энергетической эффективности пассажирских электровозов постоянного тока / А. А. Бакланов, А. П. Шиляков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2019. - № 2 (38). - С. 23-33.

6. Черемисин, В. Т. Методология оценки энергетической эффективности применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров, А. С. Вильгельм. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2016. - № 1 (25). - C. 60-70.

7. Бакланов, А. А. Энергетический баланс движения для решения задач снижения расхода электроэнергии на тягу поездов / А. А. Бакланов. - Текст : непосредственный // Транспорт: наука, техника, управление. - 2005. - № 6. - С. 32-35.

8. Бакланов, А. А. Принципы классификации влияющих факторов на расход энергии электроподвижным составом / А. А. Бакланов, А. П. Шиляков, А. В. Раздобаров. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 4 (44). - С. 65-75.

9. Астахов, П. Н. Справочник по тяговым расчетам / П. Н. Астахов, П. Т. Гребенюк, А. И. Скворцова. - Москва : Транспорт, 1973. - 256 с. - Текст : непосредственный.

10. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - Москва : Транспорт, 1985. -287 с. - Текст : непосредственный.

11. Правила тяговых расчетов для поездной работы : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2016 № 867р. - Москва, 2016. - 515 с. - Текст : непосредственный.

12. Бронштейн, И. Н. Справочник по математике / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. -Москва : Наука, 1965. - 608 с. - Текст : непосредственный.

13. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. - Москва : Наука, 1974. - 832 с. - Текст : непосредственный.

References

1. Baklanov A. A., Shvetsov S. V., Shilyakov A. P. Ways to improve energy efficiency the use of regenerative braking systems on the Krasnoyarsk Railway [Puti povysheniya energoeffektivnosti primeneniya system rekuperativnogo tormozheniya na Krasnoyarskoy zheleznoy doroge]. Eksplu-atatsionnaia nadezhnost' lokomotivnogo parka ipovyshenie effektivnosti tiagipoezdov: materialy vse-rossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Operational reliability of the locomotive fleet and increasing the efficiency of train traction: materials of the All-Russian scientific and technical conference with international participation). - Omsk, 2012. pp. 300 - 308.

2. Maznev A. S., Evstafyev A. M. Improving the efficiency of electric rolling stock [Povysheniye effektivnosti elektropodvizhnogo sostava]. Zheleznodorozhnyy transport - Railway transport, 2010, no. 9, pp. 33 - 36.

3. Melnichenko O. V., Gazizov Y. V. Increasing the energy performance of electric locomotives [Povysheniye energeticheskikh pokazateley elektrovozov]. Zheleznodorozhnyy transport - Railway transport, 2010, no. 3, pp. 50 - 51.

4. Sopov V. I., Shtang A. A., Spiridonov E. A. Quantitative assessment of the energy of thrust and braking based on the processing of experimental data [Kolichestvennaya otsenka ob"yemov energiit-yagii tormozheniya na osnove obrabotki eksperimental'nykh dannykh]. Transportnye sistemy Sibiri: materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Transport systems of Siberia: materials of the International Scientific and Technical Conference). - Krasnoyarsk, 2004, p. 143.

5. Baklanov A. A., Shilyakov A. P. Improving energy efficiency of passenger DC electric locomotive [Povysheniye energeticheskoy effektivnosti passazhirskikh elektrovozov postoyannogo toka] Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2019, no. 2 (38), pp. 23 - 33.

6. Cheremisin V. T., Nikiforov M. M., Vilgelm A. S. Methodology for assessing the energy efficiency of the use of regenerative braking and the use of energy recovery [Metodologiya otsenki energeticheskoy effektivnosti primeneniya rekuperativnogo tormozheniya i ispol'zovaniya energii rekuperatsii] Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2016, no. 1 (25), pp. 60 - 70.

7. Baklanov A. A. The energy balance of the movement to solve problems of reducing power consumption for train traction [Energeticheskiy balans dvizheniya dlya resheniya zadach snizheniya raskhoda elektroenergii na tyagu poyezdov]. Transport: nauka, tekhnika, upravleniye - Transport: science, technology, management, 2005, no. 6, pp. 32 - 35.

8. Baklanov A. A., Shilyakov A. P. Principles of classification of influencing factors on the energy consumption of electric rolling stock [Printsipy klassifikatsii vliyayushchikh faktorov na raskhod energii elektropodvizhnym sostavom]. Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 4 (44), pp. 65 - 75.

9. Astakhov P. N., Grebenyuk P. T., Skvortsova A. I. Spravochnik po tyagovym raschetam (Handbook of traction calculations). Moscow: Transport Publ., 1973, 256 p.

10. Pravila tyagovykh raschetov dlya poyezdnoy raboty (Traction rules for train operation). Moscow: Transport Publ., 1985, 287 p.

11. Pravila tyagovykh raschetov dlya poyezdnoy raboty (Traction rules for train operation), approved by the order of JSC «RZD» from 12.05.2016 № 867r. Moscow, 2016, 515 p.

12. Bronstein I. N., Semendyayev K. A. Spravochnik po matematike (Math Handbook). Moscow: Science Publ., 1965, 608 p.

13. Korn G., Korn T. Spravochnik po matematike dlya nauchnykh rabotnikov i inzhenerov (Mathematics Handbook for Scientists and Engineers). Moscow: Science Publ., 1974, 832 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Бакланов Александр Алексеевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-19.

E-mail: aleksbakl@mail.ru

Шиляков Андрей Петрович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-19.

E-mail: ShilyakovAP@omgups.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Baklanov Alexandr Alexeevich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Rolling stock of electric railways», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-34-19.

E-mail: aleksbakl@mail.ru

Shilyakov Andrey Petrovich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Rolling stock of electric railways», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-34-19.

E-mail: ShilyakovAP@omgups.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Бакланов, А. А. Энергетическая эффективность рекуперативного торможения грузовых электровозов / А. А. Бакланов, А. П. Шиляков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). -С. 11 - 22.

УДК 629.1.027

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Baklanov A. A., Shilyakov A. P. Energy efficiency regenerative braking freight electric locomotives. The Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 11 - 22 (In Russian).

С. Т. Ахатов, В. Г. Солоненко, Н. М. Махметова

Академия логистики и транспорта (АЛТ), г. Алматы, Республика Казахстан

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ СКОРОСТНОГО НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА

Аннотация. Предметом исследования является проблема управления экипажем в пространстве с помощью автоматической системы регулирования зазора между полюсами электромагнита и феррорельсами в системе скоростного наземного транспорта, основанного на эффекте левитации. Одним из основных условий комфортного левитационного режима движения экипажа является отсутствие вертикальных деформаций экипажа при многоточечном подвесе в связи с неоднородным распределением подъемных и направляющих сил. С целью обеспечения устойчивости электромагнитного подвеса экипажа предложены различные комбинации обратных связей системы управления. Приведены результаты исследования системы управления электромагнитным подвесом с использованием обратной связи по току электромагнита в режиме левитации наземного скоростного транспорта. Основным требованием к системе управления электромагнитным подвесом в режиме левитации является максимально допустимое отклонение допустимого воздушного зазора ± 5 мм при воздействии импульса аэродинамической силы в горизонтальной плоскости и скорости ее приложения. Предложен принцип подчиненного регулирования параметров системы управления с применением регуляторов в соответствии с функциональной двухконтурной системой автоматического регулирования с обратной связью по току. Применение двухконтурной системы автоматического управления при колебаниях напряжения питания корректирует ток электромагнита и исключает отклонение максимально допустимого зазора между электромагнитом и феррорельсом. Выполненные расчеты доказывают, что введение обратной связи по току электромагнита уменьшает коэффициенты передачи по скорости и тем самым увеличивает быстродействие сигнала.

Ключевые слова: электромагнитный подвес, феррорельс, левитация, магнитный поток, экипаж, система управления.

Semyat T. Akhatov, Vladimir G. Solonenko, Narzankul M. Makhmetova

Academy of logistics and transport (ALT), Almaty, Republic of Kazakhstan

CONTROL SYSTEM OF ELECTROMAGNETIC SUSPENSION WITH FEEDBACK

OF HIGH-SPEED LAND TRANSPORT

Abstract. The subjects of the study are the problem of controlling the crew in space by means ofan automatic system for controlling the gap between the electromagnet poles andferro-rails in the system of high-speed land transport based on the levitation effect. One of the main conditions for comfortable levitation mode of the crew is the absence of vertical deformations of the crew during multipoint suspension due to non-uniform distribution of lifting and guiding forces. In order to ensure the stability of the crew's electromagnetic suspension, various combinations of control system feedbacks are proposed. The results of the study of the electromagnetic suspension control system using the electromagnet current feedback in the land speed vehicle levitation mode are presented. The main requirement to the control system of an electromagnetic suspension in the levitation mode is the maximum permissible deviation of the permissible air gap ±5 mm under the action of the impulse of the aerodynamic force in the horizontal plane and the speed of its application. The principle of subordinate regulation of the control system parameters with the use of regulators in accordance with the functional two-loop system of automatic regulation with current feedback has been proposed. The application of the double-loop automatic control system at supply voltage fluctuations corrects the electromagnet current and excludes the deviation of the maximum permissible gap between the electromagnet and the ferro-rail. The performed calculations prove that the introduction of the electromagnet current feedback decreases the velocity transfer coefficients and thus increases the signal speed.

Keywords: electromagnetic suspension, ferro-rail, levitation, magnetic flux, crew, control system.