Способы снижения расхода электрической энергии на тягу поездов


Электрическая энергия, потребляемая электровозом, в большей ее части потребляется тяговыми электродвигателями на создание тягового усилия, существенно меньшая часть расходуется вспомогательными машинами и оборудованием, а также на поддержание микроклимата в кабине машиниста или в вагонах пассажирского поезда (отопление, вентиляция, кондиционирование, освещение). Часть электрической энергии направляемой в тяговые электродвигатели теряется в пусковых сопротивлениях, преобразователях. Электрическая энергия в тяговых электродвигателях преобразуется во вращающий момент, который затем трансформируется в силу тяги. При этом преобразовании также происходят потери энергии (в переходных сопротивлениях коллекторно-щеточного узла, нагрев обмоток двигателя, потери в магнитопроводах, потери от трения в зубчатой передаче и проч.).

В результате действия силы тяги электрическая энергия преобразуется в механическую. Сначала в виде кинетической формы (увеличение скорости), а в последующем она может также переходить и в потенциальную форму - при следовании поезда в подъем. Потенциальная энергия - это накопленная энергия в результате подъема тела на некоторую высоту, а кинетическая энергия - это энергия движения, скорости. Потенциальная энергия прямо пропорциональна массе поезда и высоте на которой расположен состав поезда. Таким образом, следуя в подъем, запас потенциальной энергии увеличивается, а при следовании по спуску уменьшается. Кинетическая энергия прямо пропорционально массе поезда и квадрату скорости. Из чего следует, что для увеличения скорости на каждый последующий 1 км/час необходимо потратить большее количество энергии. Механическая энергия может переходить из одной формы в другую. Так, при следовании по спуску потенциальная энергия снижается, но при этом скорость движения поезда увеличивается, а, следовательно, растет кинетическая энергия. При следовании в подъем происходит обратный процесс. Использование запасенной кинетической энергии позволяет преодолевать подъемы с уклонами выше расчетных.

Используя данную информацию можно выделить несколько этапов (или способов) снижения расхода электрической энергии. Так, для снижения потерь в пусковых сопротивлениях можно увеличить пусковой ток. В таком случае экономия достигается за счет существенного снижения времени следования на пусковых сопротивлениях, особенно на первых позициях, когда величина сопротивления большая и потери наиболее велики. Для снижения потерь в пусковых сопротивлениях при разгоне также желательно использовать ступени ослабления возбуждения тягового электродвигателя. Потери в этих цепях существенно меньше, чем в пусковых сопротивлениях, к тому же опять же сокращается время следования на пусковых резисторах, особенно на первых позициях с большим сопротивлением. Для снижения расхода энергии при разгоне поезда необходимо избегать боксований, поскольку для прекращения боксования на рельс, как правило, подается песок, который создает дополнительное сопротивление движению поезда, увеличивается время разгона (следования на повышенных токах), время следования на пусковых сопротивлениях.

Для снижения расхода электрической энергии в процессе движения, на равнинном профиле, необходимо поддерживать скорость близкую к постоянной, избегая существенных замедлений с последующими разгонами. В данном случае экономия достигается за счет того, что избегая повышенных скоростей, исключается следование с большим основным сопротивлением движению поезда, на преодоление которого требуется дополнительная энергия. К тому же на участках с равнинным профилем соотношение мощности локомотива к массе поезда существенно меньше, чем на участках с горным профилем и на разгон поезда потребуется большее время и соответственно дополнительные потери в пусковых сопротивлениях. В некоторых случаях, после разгона до необходимой скорости для, поддержания равномерного движения, эффективной мерой может служить отключение группы тяговых электродвигателей. В данном случае экономия достигается за счет работы тяговых электродвигателей в диапазоне токов с наибольшим КПД. Так, на многосекционных локомотивах, для поддержания постоянной скорости можно отключить из работы одну из секций, а остальные секции перевести на повышенное соединение тяговых электродвигателей. Тем самым ток на оставшихся двигателях будет выше, чем до отключения, но поступающая энергия будет расходоваться наиболее полно, и электровоз будет развивать ту же мощность что и при работе всех секций. Нежелательно для поддержания скорости длительно применять ступени ослабления возбуждения тягового электродвигателя, поскольку дополнительное сопротивление, вводимое параллельно обмотке возбуждения потребляет энергию, но увеличение мощности двигателя незначительно, к тому же возрастает ток якоря, что может привести к перегреву ТЭД. На локомотивах имеющих преобразователи напряжения от контактной сети к тяговым двигателям необходимо выбирать режимы с учетом КПД данных устройств, для снижения потерь при преобразовании.

На участках пути с большими величинами уклонов необходимо вести поезд с таким расчетом, чтобы рационально перераспределять кинетическую и потенциальную энергии между собой с минимизацией следования в тяговом режиме. Так при следовании по «вредному» спуску необходимо применять рекуперативное торможение, а при его отсутствии применять пневматические тормоза поезда. В конце спуска необходимо развить максимально-допустимую скорость, тем самым увеличив запас кинетической энергии. Запасенная кинетическая энергия позволит преодолеть частично или полностью подъем, снизить время следования в тяговом режиме, а за счет большей скорости снизить токи тяговых двигателей. Все эти факторы ведут к снижению расхода электрической энергии. Определить размер экономии, или потерь можно по формуле
A = Q x 0,0128 x (V12- V22).
Где Q – вес поезда в тоннах,
V1 – скорость допустимая,
V2 – скорость фактическая.
Например, при разрешенной скорости 80 км/час, поезд массой 4000 тонн в конце спуска развил скорость 50 км/час. Таким образом, потери составят:
A = 4000 х 0,0128 х (6400-2500);
A = 4000 х 0,0128 х 3900;
A = 199 680 Вт•ч
A = 199,7 кВт•ч
    В случаях отсутствия рекуперативного торможения также возможно добиться экономии электрической энергии на «вредных» спусках. Для этого необходимо снизить скорость преодоления вершины и перехода на спуск. В данном случае экономия будет достигнута за счет того, что электровоз при следовании в подъем не потребляет энергию, а преодоление оставшейся части подъёма происходит с расходованием кинетической энергии. В последующем эта потеря кинетической энергии будет восстановлена при следовании поезда по спуску с увеличением скорости.
    Так, при выключении тяги на 30 сек раньше обычного при скорости 45 км/час на 8 тыс. подъеме и токах 450 А на параллельном соединении тяговых двигателей трехсекционного электровоза ВЛ11достигается экономия:
A = (450 х 6 х 3000 х 30) / 3600;
Где, 450 – ток ТЭД, А;
3000 – напряжение в контактной сети, В ;
6 – количество ветвей прохождения тока на параллельном соединении трехсекционного электровоза;
30 – время следования без тока в секундах;
3600 – количество секунд в одном часе.
A = 67 500 Вт•ч;
A = 67,5 кВт•ч .

При этом снижение скорости ориентировочно составит 10 км/ч, т.е. снизится до 35 км/час, а в дальнейшем, при следовании по 8 тыс. спуску, скорость возрастет до 45 км/час ориентировочно за 45 сек.

Данный способ достижения экономии можно использовать при следовании поездов вслед друг другу, на запрещающий сигнал или при наличии впереди ограничения скорости, а также в других случаях, когда требуется увеличить время следования по перегону (например, при следовании с опережением графика, при отсутствии свободных путей на станции приема и т.п.).

Получить дополнительную экономию возможно при рациональном выполнении ограничений скорости. В данном случае необходимо наиболее полно использовать рекуперативное торможение, а при его отсутствии применять пневматические тормоза таким способом, чтобы не допускать излишнего замедления с необходимостью последующего разгона поезда. На участках с большими уклонами необходимо максимально использовать профиль пути для снижения скорости и последующего разгона. На данных участках также необходимо учитывая профиль пути выбирать места для остановки у запрещающего сигнала. Так, желательно останавливаться на площадках или спусках предшествующих подъему, на котором находится светофор с запрещающим показанием. Экономия в данном случае будет достигнута за счет более интенсивного увеличения скорости, а, следовательно, уменьшения потерь в пусковых сопротивлениях, более быстрого снижения тягового тока и накоплении кинетической энергии перед подъемом. В случае если место остановки находится на спуске, то желательно остановить поезд с таким расчетом, чтобы к концу спуска достичь максимальной скорости – произвести запас кинетической энергии. Если место остановки находится на вершине уже на спуске, то необходимо остановить поезд как можно ближе к светофору. Тем самым головная часть поезда будет «помогать» при разгоне и он пройдет более легко и с меньшими потерями энергии и времени. В случае если светофор находится на подъеме, которому предшествует спуск, то необходимо остановиться на спуске таким образом, чтобы контролировать показания данного светофора. В данном случае разгон поезда также будет произведен без применения тягового тока, либо минимизировано его применение.

Использование рекуперативного торможения при следовании по «вредным» спускам помогает существенно снизить расход электрической энергии расходуемой на тягу поездов. При данном виде торможения необходимо выбрать такой режим, при котором бы не происходит повышения напряжения контактной сети выше допустимого уровня, и не происходит перегрева тяговых электродвигателей. Повышение напряжения выше допустимого уровня может привести к отключению аппаратов защиты, а на некоторых сериях локомотивов к дополнительному включению в цепь рекуперации тормозных резисторов, что приводит к потерям энергии. Применение рекуперативного торможения с большими токами может привести к увеличению расхода электроэнергии затрачиваемой на охлаждение ТЭД, а также может привести к повреждениям двигателей в результате перегрева или ухудшения коммутации.

Для снижения расхода электроэнергии из-за прочих факторов необходимы организационные мероприятия. Так, для снижения потерь при начале движения поезда необходимо исключения из обращения букс скольжения. Для снижения основного сопротивления необходим переход на «бесстыковой» путь, уменьшения количества стрелочных переводов на главных путях станций. Также для снижения основного сопротивления желательно формировать поезда с однородной осевой загрузкой и стремиться к повышению загрузки вагона, исключению порожнего пробега вагонов. Так, основное сопротивление вагона с осевой нагрузкой 23т. при скорости 80 км/час составляет 1,7 кгс/т, а у порожнего вагона – 5,38, т.е. больше чем в три раза. Для снижения дополнительных сопротивлений необходимо спрямление профиля пути, уменьшения количества кривых, увеличения их радиуса.

Значительную экономию можно получить рациональной организацией перевозок – уменьшением количества остановок, особенно непредусмотренных графиком, остановок на неблагоприятном профиле пути, уменьшения количества ограничений скорости.

Заблаговременная передача информации о предстоящей неплановой остановке поезда также позволяет снизить расход электроэнергии, поскольку локомотивная бригада может оптимизировать режим ведения поезда с целью экономии, выбрать наиболее удобный профиль пути для остановки или использовать профиль пути для замедления поезда и избежать необходимости остановки.

На главную