Оценка расхода электроэнергии на движение поезда по перегону.

Оценить минимальную величину расхода электроэнергии, необходимую на движение поезда по перегону можно, рассчитав составляющие расхода электроэнергии. При таком способе расчета кривая движения поезда представляется трапецеидальной. Выделяют следующие составляющие расхода электроэнергии:

- на приобретение поездом кинетической энергии (А_к);

- на преодоление сопротивления движению при разгоне (А_wр);

- на преодоление сопротивления движению при движении с постоянной скоростью (А_wу);

- на потери при пуске (А_пп);

- на собственные нужды (А_сн);

- возврат электроэнергии при рекуперации (А_р):

А = А_к + А_wр + А_wу + А_пп + А_сн – А_р.

На участке разгона электроэнергия затрачивается на приобретение кинетической энергии поездом и преодоление сил сопротивления движению. С учетом потерь в ТЭД и тяговой передаче:

;

.

Сопротивление движению на участке разгона усредняется и рассчитывается для скорости, равной половине V_у.

При расчете расхода энергии при движении поезда с постоянной скоростью так же учитываются потери в ТЭД и тяговой передаче:

.

Пусковые потери рассчитываются как доля от расхода электроэнергии на пути пуска на приобретение кинетической энергии и преодоление сил сопротивления движению, но без учета потерь в ТЭД и тяговой передаче, т.к. они были учтены ранее:

.

Для получения представления о коэффициенте пусковых потерь k_п изобразим графически уравнение, описывающее пуск ТД при неизменном пусковом токе, в функции времени без учета магнитных и механических потерь. Для этого запишем уравнение электрического равновесия для режима пуска:

U_кс = C×Ф×V + I_п×R_д + I_п×R_п.

Так как ток постоянен, следовательно, постоянен и магнитный поток. Линия, характеризующая величину С×Ф×V является прямой, проходящей через начало координат. Несколько выше и параллельно ей будет расположена линия, характеризующая падение напряжения на активных сопротивлениях обмоток ТД. Как следует из уравнения, величина падения напряжения на пусковом резисторе будет убывать с ростом скорости. Эта величина равна разности ординат горизонтальной линии, характеризующей напряжение, приложенное к ТД и линии I_п×R_д. В точке пересечения линий U_д и I_п×R_д процесс пуска закончится. Далее к ТД приложено полное напряжение.

Домножим величины, откладываемые по оси ординат на ток ТД. При этом мы получим диаграмму изменения мощностей. Из которой следует, что при увеличении скорости мощность потерь на активных сопротивлениях обмоток ТД постоянна, а мощность потерь в пусковых сопротивлениях уменьшается. Так как энергия равна интегралу от мощности по времени, то площади, ограниченные соответствующими линиями характеризуют затраты энергии на нагревание воздуха (четырехугольник а0еd) и полезную работу (треугольник а0b).

В том случае, если имеется несколько группировок ТД, то диаграмма изменения потерь в пусковых резисторах принимает ступенчатый вид. Это относится и к ступенчатому изменению пускового сопротивления. Коэффициент пусковых потерь равен отношению мощности потерь в пусковых сопротивлениях к мощности на совершение полезной работы:

,

Как следует из рисунка, коэффициент пусковых потерь для одноступенчатого пуска без учета потерь в ТД равен 1. Такой коэффициент потерь характерен для электропоездов ЭТ2 и их аналогов. Сделав соответствующие геометрические построения нетрудно увидеть, что:

- для двухступенчатого пуска ТД k_пп = 0,5 (ЭР2, ЭТ2ЭМ);

- для трехступенчатого пуска шестиосного электровоза k_пп = 1/3 (ЧС2Т, ВЛ15);

- для трехступенчатого пуска восьмиосного электровоза k_пп = 3/8 (ВЛ10, ВЛ11).

Следовательно, с увеличением группировок ТД уменьшается доля пусковых потерь, но усложняется силовая схема ЭПС.

Расход электроэнергии на собственные нужды вычисляется как произведение паспортной мощности собственных нужд ЭПС на время движения по перегону:

.

Энергия, которая может быть возвращена в сеть при рекуперации, рассчитывается как разность кинетической энергии поезда в начале и в конце рекуперации за вычетом энергии на преодоление сопротивления движению на пути рекуперации:

.

Потери в ТЭД и тяговой передаче учитываются только в той части энергии, которая отдается в контактную сеть, т.к. на преодоление сопротивления движению затрачивается часть кинетической энергии, приобретенной поездом ранее. Скорость окончания рекуперации V_рmin определяется типом подвижного состава и зависит от напряжения контактной сети, тока рекуперации и максимального тока возбуждения:

,

где m – число последовательно соединенных ТЭД при окончании рекуперации;

åR_я – суммарное сопротивления якорной цепи одного ТЭД;

СФ_max – максимальный магнитный поток в режиме рекуперации.

Если на перегоне имеются ограничения скорости, то в формулу полного расхода электроэнергии необходимо включить составляющие, которые учитывают затраты энергии на разгон поезда после выполнения ограничения скорости, а так же рекуперацию при торможении перед ограничением.