4. Энергетика движения поезда.

4.1. Задачи расчета расхода электроэнергии на движение поезда.

Для обеспечения электроэнергией подвижного состава электрифицированных железных дорог ее необходимо произвести на электростанции, передать на тяговую подстанцию (ТП), преобразовать и передать на ЭПС. При производстве, преобразовании и передаче электроэнергии неизбежны потери. С точки изучения энергетики поезда нас, как тяговиков, интересует лишь непосредственно затраты электроэнергии на движение поезда, хотя, рассматривая вопросы снижения энергозатрат, необходимо выбирать режимы движения поезда с учетом потерь электроэнергии в системе тягового энергоснабжения – т.е. нас интересует часть энергосистемы, находящаяся после счетчика на входе ТП, так как потери в оборудовании ТП и тяговой сети относят на тягу поездов.

Владеть вопросом расхода электроэнергии на тягу поездов необходимо для:

• прогнозирования перспектив потребления электроэнергии железными дорогами в целом при проектировании ввода новых мощностей энергосистем (глобальная задача);

• нормирования расхода электроэнергии на тягу поездов как железной дороги в целом, так и на отдельную поездку локомотивной бригады для стимулирования ее к рациональному расходованию электроэнергии (локальная задача).

Решение этих задач возможно различными методами:

• численным (с использованием тягового расчета. Самый точный способ, но наиболее трудоемкий);

• аналитическим;

• методами, основанными на математической статистике.

Все перечисленные методы имеют достоинства и недостатки и выбор метода зависит от поставленной задачи.

Численный метод предполагает интегрирование кривой I_эпс = (t):

.

Т.к. кривая I_ЭПС = (t) не может быть описана стандартной математической функцией, то прямое интегрирование невозможно. На практике используют приближенные методы интегрирования, основанные на конечных приращениях, точность которых зависит от шага расчета:

.

4.2. Аналитический метод определения расхода электроэнергии.

При движении по перегону ТД ЭПС производят преобразование электрической энергии в механическую, которая затрачивается на преодоление сил сопротивления движению и сообщение поезду кинетической энергии. Рассмотрим идеальный ЭПС, у которого отсутствуют потери электроэнергии и возможна рекуперации до остановки.

В общем случае, при движении поезда по перегону можно выделить следующие режимы:

• разгон;

• установившееся движение;

• выбег;

• торможение.

Для ЭПС постоянного тока, имеющего реостатное регулирование напряжения (ступенчатое или плавное) выделяют режим "пуск", как часть режима "разгон". Под пуском следует понимать разгон до выхода ТЭД на безреостатную характеристику на которой затем осуществляется длительная езда.

На различных перегонах могут отсутствовать режимы установившегося движения и выбега. Рассмотрим с энергетической точки зрения режимы движения поезда по перегону.

При пуске и разгоне из КС потребляется энергия, которая расходуется на преодоление сопротивления движению и увеличения кинетической энергии поезда:

.

При установившемся движении под током энергия расходуется только на преодоление сопротивления движению, поэтому формула приобретет вид

.

После отключения ТД запасенная кинетическая энергия расходуется на преодоление сил сопротивления движению. При этом скорость снижается до V_т. Уравнение энергетического баланса имеет вид:

.

С учетом того, что на участке выбега на преодоление сил сопротивления движению расходуется запасенная ранее кинетическая энергия, можно записать:

.

Для остановки поезда необходимо, чтобы его кинетическая энергия стала равной нулю. Следовательно, на участке торможения остаток кинетической энергии должен быть преобразован в другой вид энергии. При этом часть энергии затрачивается на преодоление сил сопротивления движению. Таким образом, полученное выше выражение является выражением для расхода энергии для движения поезда по перегону без учета рекуперации.

Энергия рекуперации:

.

Сравнивая полученные выражения можно сделать вывод о том, что для "идеального" ЭПС, оборудованного системой рекуперативного торможения затраты энергии на движение по перегону будут равны затратам на преодоление сил сопротивления движению на всем перегоне:

.

Для реального ЭПС при движении в режиме тяги и рекуперативного торможения неизбежны потери в ТД, тяговом преобразователе (если он есть) и тяговой передаче. Поэтому в формулы необходимо ввести соответствующие коэффициенты:

.

Также следует учесть, что рекуперативное торможение до остановки невозможно, т.к. происходит падение напряжения на активных сопротивлениях цепи рекуперации:

.

Здесь s_рт – путь рекуперативного торможения.

Следует отметить, что величины КПД преобразователя, ТЭД, тяговой передачи, используемые в формулах, не являются постоянными величинами. Для повышения достоверности вычислений следует рассматривать КПД как функцию мощности, реализуемой ТЭД или передаваемой преобразователем или тяговой передачей.

Для ЭПС с реостатным пуском (ступенчатым или плавным) необходимо учитывать потери в пусковых реостатах:

.

Первое слагаемое формулы учитывает потери непосредственно в пусковых реостатах, правое – в импульсном преобразователе при плавном реостатном пуске.

При движении поезда по перегону некоторая часть электроэнергии расходуется на создание запаса сжатого воздуха, освещение, создание микроклимата и другие нужды. Этот расход принято называть расходом на собственные нужды и он зависит от мощности потребителей и времени нахождения поезда на перегоне:

.

Таким образом, полный расход электроэнергии при движении ЭПС по перегону будет иметь вид:

А = А_(п+р+у) + А_пп + А_сн – А_р.

Полный расход электроэнергии не является качественным показателем использования электроэнергии, т.к. два поезда разной массы могут быть проведены по одному и тому же перегону с одинаковым расходом электроэнергии (возможно за одно и то же время). Показателем эффективности использования электроэнергии при ведении поезда является удельный расход электроэнергии:

.

Для практических расчетов удобнее использовать удельный расход электроэнергии, имеющий размерность .