ОСНОВНІ НАПРЯМКИ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ.

НЕТРАДИЦІЙНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

ТЕМА 6. (Продовження). Енергетичні ресурси. Споживання енергетичних ресурсів у процесі виконання транспортної роботи. Методи енергозбереження.

Основні питання лекції:

1. Режими руху транспортних засобів:

- буксування;

- рекуперативне гальмування;

- юз.

2. Модернізація електричних машин і апаратів.

Основний зміст лекції:

Методи зниження витрат енергії. Застосування рухомого складу з імпульсним регулюванням, раціоналізація маршрутів, зміна умов експлуатації. Керування пасажиропотоками, заходи щодо підвищення швидкості сполучення.

1. Режими руху транспортних засобів:

- буксування;

- рекуперативне гальмування;

- юз;

- нерівномірність струморозподілу в силових колах тягових двигунів.

Розглянемо витрати енергії при буксуванні рухомих одиниць як фактор ресурсовитратності. Ефективність роботи транспортних засобів в значній мірі визначається рівнем зчеплення коліс з дорожнім покриттям або рейками. На відміну від магістрального транспорту, де питанню зчеплення присвячена велика кількість досліджень, на міському електротранспорті такі дослідження вкрай обмежені [63, 176, 193, 194, 208 - 211]. Справа в тім, що для локомотивів степінь використання сили зчеплення є необхідним фактором ефективності перевезень, а на міському електротранспорті процеси надлишкового ковзання не мають суттєвого значення хоча б тому, що зчіпна вага рухомої одиниці є випадковою величиною, а вимоги комфортності та мінливість дорожньої ситуації вимагають реалізації сил тяги та гальмування у дуже широкому діапазоні. У разі виникнення надлишкового ковзання водій рухомої одиниці завжди може скористуватись нижчими позиціями контролера управління, тому питання зчеплення має безпосередній стосунок лише до безпеки руху, бо при юзі під час гальмування збільшуються гальмівні шляхи.

Але при цьому залишається поза увагою енергетичний аспект цього питання, який однак для локомотивної тяги не виділяється в суттєвий, а для рухомого складу міського електротранспорту у деякі періоди року стає чи не визначальним. Співставлення обсягів транспортної роботи з витратами енергії по районах живлення вказують на те, що в певні дні, коли спостерігається масове попадання вологого листя або суцвіть дерев на колію, що викликає масове буксування вагонів, питомі витрати енергії значно зростають [65, 181, 208]. Таким чином можна констатувати, що є об'єктивна потреба впливати на причини підвищеної енерговитратності при буксуванні як складової частини ресурсовитратності.

Надлишок поздовжньої сили колеса над силою тертя йде на підвищення кінетичної енергії обертання колісної пари, тягової передачі та якоря тягового двигуна. Оскільки сила сухого тертя при збільшення швидкості ковзання зменшується, кутове прискорення колісної пари зростає. Але з другого боку поздовжня сила колеса визначається тяговою чи гальмівною характеристиками, за якими момент якоря тягового двигуна залежить від частоти його обертання, і зменшується при її зростанні в тяговому режимі, та уповільненні в гальмівному. Таким чином кутове прискорення колісної пари збільшується не безмежно, і при досягненні рівності між силою на колесі та силою сухого тертя реалізується максимальна швидкість ковзання. Якщо протягом процесу надлишкового ковзання умови контактування коліс з рейками поліпшуються, сила сухого тертя збільшується і починає перевищувати силу на колесі. Внаслідок цього відбувається зміна знаку кутового прискорення колісної пари і природне затухання надлишкового ковзання. Ці процеси добре відомі і мають спеціальні назви - буксування в режимі тяги та юз в режимі гальмування.

Максимальне прирощення швидкості буксуючої колісної пари ΔV_б головно визначається максимальною величиною швидкості надлишкового ковзання V_ковз.max, після досягнення якої внаслідок поліпшення умов зчеплення з-за очищення бандажів спостерігається зменшення швидкості ковзання аж до нуля. За цей час поступальна швидкість рухомої одиниці зросте на ΔV_в. Слід також прийняти до уваги, що умови контакту бандажів з рейками змінюються по довжині колії, тому крім ефекту абразивного очищення бандажів припинення буксування обумовлюється збільшенням коефіцієнту сухого тертя.

Загальні витрати електроенергії за час буксування складаються з споживання її небуксуючою колісною парою і буксуючою. При цьому одна частина енергії йде на надлишкове тертя з-за надмірного обертового руху колісної пари та пов'язаних з нею обертових частин, друга - на рух. Отже, визначити втрати енергії при буксуванні можна, якщо буде відома часова функція швидкості ковзання та залежна від неї сила сухого тертя.

Потреба у теоретичному визначенні залежностей втрат енергії при буксуванні обумовлена необхідністю відповіді принаймні на два запитання: чи складають ці втрати величину, що економічно виправдовує постановку питання про примусову ліквідацію виниклого буксування, а при ствердній відповіді - що є більш ефективним для запобігання цих втрат - механічне очищення колій від опалого листя та інших забруднень, або застосування систем розпізнавання початку буксування та примусового його припинення.

Розглянемо рівняння буксування. Як це традиційно прийнято в дослідженнях буксування на магістральному транспорті, частота обертання якоря тягового двигуна, обертових частин редуктора та самої буксуючої колісної пари приводяться до швидкості поступального руху V_б, так що при русі вагону зі швидкістю V_в швидкість надлишкового ковзання дорівнює:

Сумарний момент інерції обертових частин приводиться до еквівалентної маси m_е виходячи з рівності кінетичних енергій поступального та обертального руху.

Величина еквівалентної маси визначається через відомий для кожного типу рухомих одиниць коефіцієнт інерції γ, що є відношенням еквівалентних мас обертових частин до фізичної маси тари вагону вагою G_т:

Позначивши через F_т(V_б) силу тяги, та через F_ковз.(V_ковз.) силу сухого тертя при буксування, маємо основне рівняння:

Для визначення функції сили тяги скористаємося запропонованим проф. Д.К. Міновим поняттям групової тягової характеристики, яка встановлює залежність сили тяги від суми поступальних швидкостей колісних пар, двигуни яких з'єднані послідовно [212]. У невеликому діапазоні швидкостей групова тягова характеристика добре апроксимується відтинком прямої, так що можна записати функції сили тяги через початкове значення в момент виникнення буксування F₀ та кутовий коефіцієнт χ:

Очевидно, що при цьому береться до уваги випадок буксування тільки однієї колісної пари.

Функцію сили сухого тертя при надлишковому ковзанні у невеликому діапазоні швидкостей звичайно вважають лінійною і визначають через початкове значення сили тертя спокою Т₀ перед початком буксування та кутовий коефіцієнт ρ:

Таким чином можна встановити усі, крім V_в, величини в основному рівнянні.

Для визначення швидкості поступального руху потрібно розв'язати рівняння руху у першій формі, приймаючи до уваги те, що масу вагону поступально рухають дві колісні пари тої групи, де нема буксування, одна колісна пара з другої групи двигунів, де є буксування, та буксуюча колісна пара, причому її силою тяги є сила сухого тертя при буксуванні. Як це робиться у звичайних рівняннях руху, приймається до уваги протилежно спрямована сума сил основного та додаткового опору W. Без великих втрат точності припустимо прийняти силу опору рухові постійною протягом процесу виникнення та припинення буксування, що дає змогу знехтувати квадратичним членом у формулі питомого основного опору. Таким чином матимемо два диференціальні рівняння першого порядку з двома невідомими V_ковз. та V_в, об'єднавши які в одне рівняння другого порядку можна розв'язати.

Оскільки механічна робота є добутком сили на довжину ділянки, де ця сила реалізується, після підстановки знайденої з розв'язання швидкості ковзання маємо: (3.34)

Прийнявши до уваги к.к.д. електромеханічного перетворення, отримаємо електричні втрати від буксування.

Отже, запишемо систему рівнянь для випадку буксування однієї колісної пари вагону з вагою G та коефіцієнтом інерції обертових частин 1+γ

(3.35)

Вилучивши з першого рівняння V_в та підставивши його до другого рівняння, отримаємо диференціальне рівняння другого порядку, якому відповідає характеристичне рівняння з коренями р₁, р₂:

При будь-яких значеннях початкових сил тяги та зчеплення та при будь-яких значеннях жорсткості групової тягової характеристики та характеристики сили зчеплення при буксуванні корені цього рівняння є дійсними та різними.

Як відомо, розв'язання диференціального рівняння другого порядку, якому відповідає характеристичне рівняння з різними коренями, є сумою експонент. Прийнявши до уваги початкові умови у вигляді початкового прискорення надлишкового ковзання:

при t = 0

отримаємо розв'язання:

(3.36)

Спростимо це вираження, розкладаючи експоненти в ряд та утримуючи перші члени:

.

Таким чином матимемо можливість визначити витрати енергії на надлишкове ковзання:

де F₀, T₀ - сили тяги та зчеплення в момент початку буксування; χ, ρ - жорсткість групової тягової характеристики та жорсткість характеристики зчеплення; V - швидкість поступального руху; m_e - еквівалентна маса обертових частин.

Очевидно, що наведені формули дійсні для незмінних значень жорсткості групової тягової характеристики χ та жорсткості характеристики сили зчеплення ρ, тобто доти, доки зберігаються передумови їх лінеаризації. Насправді ж залежність сили на ободі коліс буксуючої колісної пари від суми швидкостей цієї та електрично з нею зв'язаної може вважатися лінійною у відносно невеликому діапазоні швидкостей. Як приклад, на рис. 3.9 подано тягову, відповідну групову характеристику колісної пари трамвайного вагону КТМ - 5М3 та графік зміни жорсткості χ.

Нерівномірність струморозподілу в силових колах тягового електрообладнання. На основі виконаних особисто автором та під його керівництвом теоретичних та експериментальних досліджень [192, 211 - 219] визначено вплив нерівномірності струморозподілу в силових колах тягового електрообладнання рухомого складу МЕТ на перевитрати ресурсів і обґрунтовано напрямки підвищення тягових та гальмівних показників рухомої одиниці при роботі в зоні продуктивного ковзання (крипу).

Встановлено найбільш раціональні способи вирівнювання струмів в паралельних колах живлення тягових електродвигунів вагонів метрополітену та трамвая і розроблено вимоги до спеціальних технічних пристроїв для підвищення рівня ресурсозбереження, новизна яких захищена патентами, які розглянуті і пропонуються проектами ресурсозбереження з модернізації рухомого складу.

Рис. 3.9. Зміна жорсткості групової тягової характеристики

протягом розбігу трамвайного вагону КТМ - 5М3.

Проведено аналіз впливу як окремих факторів, так і їх дії у комплексі на нерівномірність струморозподілу між паралельними групами тягових електродвигунів. Дано оцінку впливу окремих факторів на нерівномірність струморозподілу і встановлено закономірність зміни її від струму двигуна.

Результати аналізу показали, що відхилення магнітних характеристик двигунів визначають граничну нерівномірність струморозподілу до 13,3% при повному полі тягових двигунів; 14,7; 17,8; 18,3 та 20,2% при ослабленні поля на першій-четвертій ступенях відповідно [192, 213, 215].

Відхилення опорів електричних кіл якоря приводить до виникнення нерівномірності струморозподілу до 1%, а опору кіл збудження до 2,5%. Причиною появи нерівномірності струморозподілу є також різниця в діаметрах бандажів колісних пар. Якщо поле послаблюється, то нерівномірність відповідно до ступенів є - 10,0; 11,7; 13,0 та 13,5% [330].

Загальна гранична нерівномірність струморозподілу визначалась з умовою, що всі супутні фактори мають максимальне значення в бік підвищення нерівномірності розподілу струмів між тяговими електродвигунами. Ці значення складають 37,5% при повному полі збудження та 40,0; 49,0; 51,6; 53,3% на послабленні поля з першої до четвертої ступені відповідно.

Рухомий склад метрополітену досить короткий час працює в статичних умовах. Як правило, йому більше властиві розгін та гальмування, тобто динамічні (перехідні) режими. У зв'язку з цим проведено теоретичні дослідження по визначенню граничної нерівномірності струморозподілу в режимах розбігу та гальмування. Числові значення факторів при цьому прийняті такими, як і в розрахунку для статичного режиму.

Результати розрахунків показали, що нерівномірність струморозподілу між паралельними групами тягових електродвигунів в перехідних режимах мало відрізняється (до 10%) віл нерівномірності струморозподілу в статичних умовах. Незначне зменшення струморозподілу в другому випадку зумовлено демпфіруючою дією індуктивностей двигунів та інерційними властивостями рухомого складу.

Гранична нерівномірність струморозподілу між паралельними групами тягових електродвигунів вказує на можливий максимальний діапазон перерозподілу струмів між двигунами. Для оцінки фактичної закономірності струморозподілу між двигунами вагонів метрополітену використано методи теорії ймовірності [192, 212, 213].

Зокрема проведено аналіз відхилення діаметрів бандажів колісних пар на всіх вагонах Харківського метрополітену та робочих характеристик їх тягових двигунів [212, 214]. Враховуючи те, що дійсні відхилення опору електричних кіл якорів і кіл збудження двигунів не перевершують 1 та 2% відповідно, їх варіації не враховувалися.

Оскільки магнітний потік та діаметр бандажів колісних пар є незалежними випадковими величинами, то щільність розподілу визначається залежністю: f(x,y) = f(x)·f(y).

Для вибору області, де будуть знаходитися параметри змін магнітного потоку та діаметрів бандажів при заданій імовірності 0,9, треба визначити інтеграл

Показано, що для вибраної ймовірності нерівномірність струмо-розподілу не перевищує 30,7% [213, 214].

Одержані теоретичні результати добре погоджуються з даними експериментальних досліджень, що проводились в метродепо "Московське" та "Салтівське" м.Харкова [192, 219].

Нерівномірність струморозподілу значно зменшує надійність роботи тягових двигунів. Збільшення різниці струму, що приводить до зміни частоти обертання якоря двигуна на 1%, приводить до двократного зростання відмов. Магнітні характеристики тягових двигунів відрізняються, в першу чергу, із-за відхилень в величині повітряних зазорів під головними полюсами. Результати розрахунків, що були виконані на ПЕОМ по розроблених автором алгоритмах, показали значну залежність різниці струмів від величини повітряних зазорів. Вона може досягати значень 250 А/мм. Відхилення індукції в 1,5 рази призводить майже до двократної зміни нерівномірності струморозподілу. При цьому неравномірність виникає не тільки в паралельних групах двигунів, але й в самих двигунах, що веде до небажаних наслідків і в першу чергу до перевитрат ресурсів при експлуатації міського електротранспорту. Розрахунок перевитрат електроенергії в залежності від рівня нерівномірності струморозподілу, який опубліковано в статті [192], вказує на необхідність розробки і впровадження проектів енергозабезпечення з модернізації електрообладнання рухомого складу.