Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Теория электрической тяги"

ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра "Электрическая тяга"

ИССЛЕДОВАНИЕ влияния эксплуатационных факторов

на расход электроэнергии в пригородном движении

Методические указания

к лабораторным работам по дисциплине

"Теория электрической тяги"

Санкт-Петербург

2005

Введение.

На движущийся электропоезд действует множество внешних факторов, одни из которых имеют случайный, другие – закономерный характер.

При движении электропоезда по различным перегонам участка обращения могут изменяться, а, следовательно, и влиять на расход и возврат электроэнергии следующие эксплуатационные факторы:

–  уровень напряжения в контактной сети;

–  величина пускового тока;

–  величина тормозного тока (при использовании электрического торможения);

–  населенность электропоезда;

–  длина перегона;

–  профиль перегона;

–  техническая скорость на перегоне.

Поскольку одновременная оценка влияния всех перечисленных факторов, действующих на электропоезд, чрезвычайно трудна, в лабораторных работах предлагается использовать однофакторный метод. Сущность этого метода заключается в том, что исследования производятся при изменении только одного фактора. Остальные при этом остаются неизменными. Для использования однофакторного метода необходима математическая модель движения поезда по перегону. Наиболее точно моделирование может быть выполнено с использованием современного компьютера.

1. Теоретический анализ.

1.1. Теоретическая оценка величины расхода электроэнергии на движение поезда по перегону.

Пригородное движение характеризуется короткими перегонами, которые, как правило, электропоезд проходит за одно подключение тяговых электродвигателей (ТЭД). За время движения электропоезда под током тяговые двигатели совершают механическую работу и преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в кинетическую. После отключения тяговых двигателей движение поезда продолжается за счёт накопленной им кинетической энергии, расходуемой на преодоление сопротивления движению на пути выбега и торможения, а оставшаяся её часть преобразуется в тепло в тормозах. В случае применения рекуперативного торможения часть кинетической энергии преобразуется снова в электрическую и возвращается в контактную сеть, а при реостатном торможении выделяется в тормозных реостатах, рассеиваясь в виде тепла в окружающую среду.

Наиболее точным способом определения расхода электроэнергии при движении электропоезда по перегону является численный метод, в котором производится интегрирование кривой тока, потребляемого электропоездом из контактной сети и уровня напряжения в ней, полученных в результате опытной поездки или компьютерного моделирования. Величина электрической энергии, затраченной электропоездом на движение по перегону без учета затрат на собственные нужды, может быть описана следующим выражением:

,

(1)

где А_т – электроэнергия, потребленная из контактной сети при движении под током;

А_р – электроэнергия, возвращенная в контактную сеть при рекуперации;

t_ток – время движения электропоезда под током;

U_кс – напряжение в контактной сети;

I_кс – ток, потребляемый электропоездом из контактной сети или возвращаемый в нее;

t_нт – момент времени, соответствующий началу рекуперативного торможения;

t_рт – момент времени, соответствующий окончанию рекуперативного торможения.

Данный способ требует либо значительных затрат времени, либо наличия мощного компьютера для учета большого числа внешних факторов при моделировании движения электропоезда по перегону. В математической модели, используемой в лабораторных работах, расчет расхода электроэнергии при движении электропоезда производится по уравнению (1), которое решается методом конечных приращений.

Для быстрой оценки расхода электроэнергии, например при составлении норм расхода, может быть использован метод расчета расхода электроэнергии по составляющим. При этом считается, что кривая движения электропоезда по перегону является трапецеидальной (линия 1 на рис.1) – т.е. разгон и торможение производятся с постоянным ускорением, равным среднему за время разгона или торможения. В этом случае расход электроэнергии на тягу, без учета собственных нужд, вычисляется по формуле:

Ат = Ак + Аwр + Аwу + Апп,

(2)

где А_к – расход электроэнергии на приобретение поездом кинетической энергии при разгоне;

А_wр – расход электроэнергии на преодоление сопротивления движению при разгоне;

А_wу – расход электроэнергии на преодоление сопротивления движению при движении с постоянной скоростью;

А_пп – потери электроэнергии при пуске.

Расчет расхода электроэнергии с использованием выражения (2) дает неплохую сходимость для грузового и пассажирского движения при расчете участков большой протяженности.

Траектория движения электропоезда по перегону, который проходится при однократном подключении тяговых электродвигателей, значительно отличается от трапеции (линия 2 на рис.1). В этом случае электроэнергия потребляется только на участке разгона. Дальнейшее движение электропоезда осуществляется за счет приобретенной кинетической энергии. В этом случае:

Ат = Ак + Аwр + Апп.

(3)

Ниже изложена методика расчета расхода электроэнергии по составляющим, которая жестко привязана к типу электропоезда и результатам тяговых расчетов при компьютерном моделировании движения электропоезда по перегону.

,

(4)

где m_э – фактическая масса электропоезда, т. m_э = 495 т;

1+g – коэффициент инерции вращающихся частей. 1+g = 1,07;

V_от – скорость отключения тяги, км/ч. Принимается согласно результатам моделирования;

h_тд – КПД тяговых электродвигателей. h_тд = 0,925;

h_тп – КПД тяговой передачи. h_тп = 0,985.

,

(5)

где g – ускорение силы тяжести, м/с². g = 9,81 м/с²;

w_op – основное удельное сопротивление движению на участке разгона, Н/кН;

i_пер – уклон рассчитываемого перегона, ‰. Принимается согласно исходным данным для моделирования;

s_р – путь разгона, м. Принимается согласно результатам моделирования.

.	(6)
,	(7)

где V_п – скорость окончания пуска, км/ч. Принимается согласно результатам моделирования;

w_oп – основное удельное сопротивление движению на участке пуска, Н/кН. Рассчитывается с использованием формулы (6) при подстановке в нее скорости V_п;