Улучшение эксплуатационных показателей автономного источника питания системы энергоснабжения пассажирских вагонов нового поколения

Парк пассажирских вагонов отечественных железных дорог постоянно изменяется не только количественно, но и качественно. На железнодорожных магистралях появились новые различные модификации вагонов с кондиционированием воздуха, электрическим и комбинированным отоплением, унифицированной системой энергоснабжения.

В России впервые в 80-х годах прошлого столетия электрическая энергия стала использоваться для освещения вагонов на Петербургско-Варшавской дороге, т. е. вскоре после промышленного применения электрических ламп накаливания, изобретенных А. Н. Ладыгиным.

По мере выявления значительного преимущества электрического освещения, оно начало широко внедряться на пассажирских вагонах. В дальнейшем электрическая энергия стала использоваться не только для осветительных целей, но и для питания другого электрооборудования, что значительно повысило комфортабельность вагонов, улучшило обслуживание пассажиров.

С 1950;1960 гг. в вагонах начали применяться устройства для принудительной вентиляции, люминесцентное освещение, установки для кондиционирования воздуха, устройства для электрического отопления. Вследствие этого мощность потребителей электрической энергии на пассажирских вагонах значительно возросла, что вызвало необходимость увеличить мощность вагонных генераторов и заменить ременный привод редукторно-карданным [7].

Большинство пассажирских вагонов, эксплуатируемых на дорогах России, оборудовано системами индивидуального (автономного) электроснабжения с приводом генератора от оси колесной пары. В них применяют генераторы постоянного и переменного тока.

В решение проблемы энергоснабжения подвижного состава (ПС), совершенствования электромеханических преобразователей для ПС существенный вклад внесли следующие ученые:

В.Д. Авилов, Ю. А. Бахвалов, А. И. Беляев, Д. М. Беленький, Е. П. Блохин, В. И. Бочаров, Ю. Г. Быков, В. А. Винокуров, И. С. Ефремов, Д. Д. Захарченко, И. П. Исаев, В. Г. Иноземцев, Ю. М. Юньков, В. К. Калинин, Л. Ф. Коломейцев, А. С. Курбасов, A. J1. Курочка, Д. К. Минов, В. И. Некрасов, С. А. Пахомин, А. В. Плакс, М. Г. Потапов, Б. Д. Никифоров, В. Е. Розенфельд, Н. А. Ротанов, А. Н. Савоськин, Н. Н. Сидоров, В. Е. Скобелев, В. В. Стрекопытов, Э. Д. Тартаковский, Б. Н. Тихменев, J1.M. Феоктистов, В. П. Янов и др.

Электрическое оборудование, применяемое в современных пассажирских вагонах, используется для создания пассажирам необходимых санитарно-гигиенических (комфортных) условий, приготовление и сохранения пищи в вагонах-ресторанах, радиовещания, работы устройств связи, облегчения труда поездной бригады и обеспечения безопасности движения поездов. Необходимые комфортные условия достигаются путем применения электрических ламп (накаливания и люминесцентных), служащих для освещения салонов, купе, коридоров и туалетовэлектрических печей, электрокалориферов и водяных котлов с комбинированным (электроугольным) подогревом водыустановок для охлаждения воздуха в вагонеэлектроприводов вентиляторов для подачи в вагоны свежего воздуха.

На рефрижераторном подвижном составе электрооборудование служит для поддержания в грузовых вагонах температурного режима, обеспечивающего сохранность перевозимых скоропортящихся грузов, и создания комфортных условий для поездной бригады. Для этой цели на рефрижераторном подвижном составе применяют: электроприводы компрессоров, вентиляторов, теплообменных аппаратов и систем охлаждения холодильных машин, насосов и др.- электрические нагреватели помещений грузовых вагоновавтоматические регуляторы температурыприборы для дистанционного измерения температуры в грузовых вагонах.

По назначению вагонное электрооборудование можно разделить на следующие основные группы: источники электрической энергии (генераторы и аккумуляторные батареи) — преобразователи, изменяющие напряжение или ток, преобразующие один род тока в другой (постоянный в переменный и наоборот) или частоту переменного токаустройства для электрического освещения вагонов с лампами накаливания и люминесцентнымиэлектрические приводы вентиляторов, насосов, компрессоров и др — электронагревательные приборыаппаратура автоматического регулирования выходных параметров источников электрической энергиипускорегулирующая аппаратура для включения и отключения различных потребителей электроэнергии, пуска электрических двигателей и др.- устройства для защиты источников электроэнергии и потребителейрадиоаппаратурысигнальные устройстваэлектроизмерительные приборывагонная электрическая сеть [8].

Электрическое оборудование пассажирских вагонов работает в тяжелых условиях. В процессе эксплуатации на него действуют значительные динамические усилия, возникающие в результате вибрации и толчков, особенно при больших скоростях движения и при маневрирование. Это может привести к различным повреждениям: обрыву проводов и обмоток, особенно в местах их пайкипоявлению трещин и порче электроизоляционных материаловускоренному износу осей и подшипников в электромеханизмах и приборахнарушению нормальной работы упругих и подвижных элементов (пружин, якорей электромагнитов и т. п.) электрической аппаратуры.

Большое количество различного электрооборудования установлено вне кузова вагона и подвержено атмосферным воздействиям. В зимнее время при низких температурах до — 50 °C снижается механическая прочность отдельных деталей электрических машин, аппаратов и приборов. Вследствие увеличения вязкости смазки создаются большие моменты сопротивления, затрудняющие работу электрических механизмов и понижающие их коэффициент полезного действия. При низких температурах большинство изоляционных материалов становятся хрупкими, в них появляются трещины, уменьшается емкость аккумуляторных батарей. Летом при повышенных температурах (особенно в южных районах) работа электрооборудования также затруднена: ухудшаются условия его охлаждения [9].

Значительно затрудняет нормальную работу электрооборудования действие влаги и грязи. Повышенная влажность воздуха, особенно во время дождя или снега, вызывает коррозию металлических частей электрооборудования и ухудшает его изоляцию. Оборудование, установленное снаружи, при движении обдувается встречным потоком воздуха, содержащим частицы пыли, обладающие абразивным действием. Они разрушают изоляцию электрических машин, аппаратов и приборов, ухудшают работу подшипников и создают токопроводящие контуры, которые могут вызывать нарушение нормальной работы электрических цепей и приводят к короткому замыканию. Внутри вагонное оборудование также может находиться в неблагоприятных условиях во время отстоя вагонов.

Искрение, возникающее при работе электрических машин постоянного тока, а также изменение тока при включении и выключении электрических цепей приводит к возникновению электромагнитных колебаний высокой частоты. Они вызывают помехи в работе радиоаппаратуры, для устранения которых применяют защитные устройства.

Электрооборудование вагонов, особенно источники электрической энергии, в пути следования поезда работают длительно. За небольшое время стоянок трудно осуществить достаточно полный профилактический осмотр и регулировку электрооборудования.

На работу потребителей влияет качество используемой электрической энергии, т. е. стабильность питающего напряжения, а при переменном токе — также постоянство частоты. Некоторые виды электрооборудования питаются электрической энергией стабилизированного напряжения (отклонение не более +3% от номинального значения). Другие же приходится подключать параллельно аккумуляторной батарее, напряжение которой в процессе заряда и разряда изменяется в довольно широких пределах.

Установленное в вагоне электрооборудование должно иметь наименьшие массу и габаритные размеры, так как эти параметры влияют на экономические показатели работы подвижного состава. Особенно жесткие требования предъявляются к размерам электрооборудования устанавливаемого снаружи, так как оно обязательно должно вписываться в габариты подвижного состава.

Электрооборудование пассажирских вагонов и рефрижераторного подвижного состава должно безотказно работать в период между плановыми ремонтами. Согласно установленным стандартам оно должно надежно работать при изменениях температуры окружающей среды от +40°С до -50°С и относительной влажности до 90%. Кроме того, электрооборудование не должно выходить из строя при динамических перегрузках, создаваемых вертикальными ускорениями до 10м/с и горизонтальными до 30м/с2, возникающими вследствие действия вибрации и инерционных сил при торможениях и при прохождении поездом кривых.

Значения суммарной мощности, приходящейся на один вагон при наличии на нем различных электрических потребителей, следующие: ф сеть освещения, электробытовые приборы, электрокипятильник, цепи сигнализации и управления и системы принудительной вентиляции в сумме 6,5-г10 кВтпри добавлении установки для охлаждения воздуха 20-К30 кВтпри добавлении электрического отопления суммарная мощность составит 40^-50 кВт.

Следовательно, по мере оснащения пассажирских вагонов различным электрооборудованием, значительно возрастает мощность электрических потребителей вагона, что требует соответственного увеличения? мощности системы энергоснабжения.

Преимуществом системы автономного энергоснабжения является полная ее независимость от внешнего источника питания, что позволяет эксплуатировать вагоны в любом поезде, на любом направлении, при любом виде локомотивной тяги. Однако в этом случае в каждом вагоне требуется устанавливать генератор с соответствующим приводом, аккумуляторную батарею и регулирующие устройства, что существенно увеличивает массу поездного электрооборудования и усложняет его эксплуатацию и ремонт. щ В России в системах с приводом генератора от оси колесной пары приняты два стандартных номинальных напряжения: 50 В — для вагонов без кондиционирования и 110 В — для вагонов с кондиционированием воздуха.

За рубежом в системах электроснабжения вагонов применяют следующие стандартные напряжения: 24 В, 32 В, 50 В, 64 В, 72 В и 110 В. Применение сравнительно низких напряжений объясняется стремлением не увеличивать количество аккумуляторов в батареях [8].

В настоящее время на пассажирских вагонах эксплуатируются генераторы, основные типы которых приведены в таблице 1. [143].

Таблица 1.

Параметры Генераторы.

2ГВ-003 ГСВ-2- ГСВ-8 DCG-4435 2ПВ-001.

Номинальная длительная мощность, кВА 9,45/0,75 5,8/2,2 35 30.

Номинальная длительная мощность на выходе выпрямителя, кВА 8 5,5 30 26.

Номинальное напряжение, В 45/24 48/15 150 150.

Номинальный ток, А 121/31,5 70/85 155 135.

Диапазон рабочей частоты вращения, об/мин 10 004 000 1000−4000 1000−3400 5 503 000.

Диапазон изменения частоты тока, Гц 100−400 100−400 200−680 100−400.

Масса, кг 260 200 720.

В зависимости от типа пассажирский вагон оборудуется вентиляционной установкой, либо установкой кондиционирования воздуха. Этот фактор является определяющим при оснащении вагона системой энергоснабжения.

Стремление повысить комфортность пассажирского вагона приводит к необходимости его дополнительного оснащения новыми типами оборудования и приборов — холодильными машинами, микроволновыми печами, обеззараживателями питьевой воды, экологически чистые туалеты и т. д., это приводит к росту энергопотребления вагона.

В настоящее время комплекс энергоснабжения отечественных пассажирских вагонов ЭПВ 10.01.01. (для вагонов без установки кондиционирования воздуха) предусматривает использование вагонного генератора ЭГВ 01. У1 мощностью 8 кВА, выпускаемого Псковским электромеханическим заводом (ПЭМЗ). Для удовлетворения все возрастающего энергопотребления пассажирских вагонов мощность генератора должна быть увеличена до 10−15 кВА.

Все пассажирские вагоны с установками кондиционирования воздуха (УКВ) оснащаются редукторно-карданным приводом от средней части оси. Система энергоснабжения комплектуются отечественными или купленными в Германии 3-фазными генераторами переменного тока с выпрямителем. Все потребители электроэнергии вагона рассчитаны на постоянный ток напряжением 110 В. Значительная мощность привода и генератора (32 кВА), позволяет полностью удовлетворить все потребности вагона во время движения. На стоянках питание оборудования осуществляется от аккумуляторных батарей с ограничением мощности, т. е. с частичной нагрузкой.

Обновление пассажирского подвижного состава, получаемого вагонными депо Северо-Кавказской железной дороги, происходит за счет новых вагонов серии 61−4179 и 61−820К, в которых реализованы два типа современных моноблочных вагонов-кондиционеров, разработки российского концерна «Лантеп» с турбокомпрессором и немецкого концерна «Хагенчук» с винтовым компрессором и системой энергоснабжения ФАГА.

Однако, анализ работоспособности новых вагонов, количество отказов оборудования показывает ненадежность предложенных конструкций. По данным пассажирской службы СКЖД в 77 вагонах, находящихся в эксплуатации на дороге (30 вагонов серии 61−4179, 47 вагонов серии 61−820К), было зафиксировано 44 неисправностей электрооборудования (вагоны серии 61−4179 имеют 14 неисправности, вагоны серии 61−820К имеют 30 неисправностей). Зафиксировано 15 случаев брака редуктора (8 вагонов серии 61−4179, 7 вагонов серии 61−820К), а также 7 случаев выхода из строя преобразователей напряжения. Данная статистика приведена за период с 2003 по 2004 г.

Следует отметить высокую сложность оборудования с использованием микропроцессорной техники, в том числе импортного производства, дефекты которые сложно устранить не только в условиях депо, но и у изготовителя — на Тверском вагоностроительном заводе.

Одной из причин возникшей проблемы является стремление конструкторов использовать в качестве регулируемых приводов асинхронный привод с частотным управлением на питающие напряжение 220 -г 380 В. Однако, наличие на вагоне генератора напряжением 110 В, требует оснащения дорогостоящим преобразователем — инвертором.

В последние годы появились обоснованные предложения по использованию вентильно-индукторных электрических машин (ВИМ) на электроподвижном составе. В отличие от электрических машин традиционного исполнения (асинхронных, синхронных и постоянного тока) ВИМ, известные за рубежом как Switched Reluctance Motors (SRM), имеют ряд особенностей, которые выгодно отличают их от других типов электромеханических преобразователей. Прежде всего, это простота конструкции, технологичность изготовления, ремонтопригодность. На статоре расположена сосредоточенная обмотка. Ротор обмотки не имеет. ВИМ относится к высоко используемым (по активным материалам) электрическим машинам с сильно насыщенным магнитопроводом. Это позволяет достичь высоких энергетических и массогабаритных показателей [20].

В РГУПС в научно-исследовательской лаборатории «Электромотор» в течение ряда лет проводятся НИОКР по разработке вентильноиндукторных двигателей и генераторов, которые позволяют повысить мощность электрической машины (для встраиваемых вариантов конструкции), сократить расход цветных металлов, повысить надежность и ремонтопригодность, снизить стоимость.

Например, в габаритах существующего вагонного генератора 2ГВ-003 сконструирован ВИГ мощностью 15 кВА, а в перспективе его мощность можно довести до 30 кВА (при условии модернизации тележки и механического привода на более высокую частоту вращения).

Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования ВИГ для использования его в качестве автономного источника питания пассажирских и грузовых вагонов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы по главе 4.

1. Результаты эксперимента и расчета свидетельствует об адекватности математической модели ВИМ и реальной электрической машины. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных по величине тока составило 4% и электромагнитного момента — 5%. Это объясняются принятыми допусками (погрешностями) расчетной модели, некоторыми неточностями в изготовлении магнитопровода электрической машины.

2. Внешняя характеристика генератора, полученная экспериментальным путем жесткая, это обеспечивается замкнутой системой автоматического управления.

3. В пределах программы испытаний режимов работы генератора система управления работала устойчиво. Устойчивость работы обеспечивалась принятым алгоритмом переключения силовых элементов.

4. Экспериментально установлено, что генератор надежно возбуждается от слаботочного источника напряжения, начиная с 12 В, что соответствует глубоко разряженной АКБ вагона;

5. Определено, что, начиная со скорости движения вагона 25 км/ч, можно подключать к вагонному генератору полную нагрузку, в то время как существующий генератор начинает работу со скорости движения вагона 40+3 км/ч.

6. Установлено, что при необходимости генератор можно подключать к потребителям и при скорости движения вагона начиная с 10 км/ч на потребители, мощность которых не превышает 5 кВА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе аналитического обзора литературы и, проведя собственные исследования, сделан вывод о том, что в современных условиях работы пассажирского подвижного состава. Вагонный генератор вентильно-индукторного типа наиболее удачно сочетает в себе основные преимущества работы именно на железнодорожном транспорте: простота конструкции, высокая надежность, технологичность в изготовлении, ремонтопригодность, высокий КПД, возможность выполнить на его базе рациональную систему электроснабжения пассажирских вагонов с меньшими затратами, чем у лучших образцов современных вагонов.

2. Для расчета параметров и характеристик ВИГ использован комплексный подход, сочетающий в себе теорию поля и теорию цепей. Учитывая, что генератор работает в режиме с сильно насыщенным магнитопроводом, то для повышения точности расчетов учтено локальное насыщение зубцовой зоны генератора. Математическая модель ВИГ составлена на основе теории цепей в форме Коши, удобной для численного интегрирования с использованием стандартных пакетов прикладных программ.

3. По результатам расчета определена рациональная геометрия зубцовой зоны с учетом особенностей конструкции и технологии изготовления ВИГ, а также параметры обмотки. При этом учтены реальные физические параметры материалов по всему активному объему, их возможная анизотропность.

4. Проведен анализ возможных соотношений чисел зубцов статора и ротора и выбрано их рациональное соотношение для работы в диапазоне скоростей движения вагона от 10 до 120 км/ч.

5. В случае многофазного исполнения ВИГ предложено использовать двигательный режим работы для осуществления вспомогательных и аварийных перемещений вагона при питании от АКБ.

6. Проведен анализ силовых схем управления ВИГ. Предложено новое схемотехническое решение, позволяющее упростить и удешевить силовую часть преобразователя.

7. Разработаны требования, предъявляемые к системе управления и конструкции силовых ключей ВИГ. Схема управления должна обеспечивать поддержание выходного напряжения U на накопительном конденсаторе С в заданных пределах и предотвращать срыв генерации при перегрузке. Кроме того, схема управления должна отслеживать работу силовых ключей в области безопасных режимов согласно спецификации фирм производителей элементной базы.

8. Результаты эксперимента и расчета свидетельствует об адекватности математической модели ВИМ и реальной электрической машины. Расхождение по величине тока max 3,5% и электромагнитного момента шах 5% объясняются принятыми допусками (погрешностями) расчетной модели, некоторыми отступлением от технологии изготовления электрической машины и силовой части системы управления.

9. Внешняя характеристика генератора, полученная экспериментальным путем жесткая, это обеспечивается системой управления.

10. Экспериментально установлено:

• генератор надежно возбуждается от слаботочного источника напряжением 12 В и выше;

• генератор можно подключать к потребителям при скорости движения вагона 10 км/ч на потребители, мощность которых не превышает 5 кВА, а начиная со скорости движения вагона 25 км/ч можно подключать полную нагрузку, в то время как существующий генератор начинает работу со скорости движения вагона 40+3 км/ч.