Библиографическое описание:

Литвинов А. В., Бернс П. А., Абишов Е. Г., Родина Д. Е., Логинова Е. С. Реализация рекуперативного торможения на тепловозах при использовании гибридного привода // Молодой ученый. — 2016. — №21. — С. 169-173.



Основным направлением повышения энергоэффективности на железнодорожном транспорте, является сокращение потребления топлива подвижным составом. Расходы на топливо в организациях занимающихся пассажирскими и грузоперевозками железнодорожным транспортом, составляют 60 % и более от общих затрат на ТЭР. Одним из основных направлений повышения эффективности перевозок является увеличение веса и скорости движения поездов, ускорение процесса переработки составов на терминале. Это определяет дальнейший рост секционной мощности тепловозов. Однако, основным источником повышенного расхода топлива тепловозами являетсяпереходный режим при наборе мощности и ускорении тепловоза.

Три группы мероприятий по направлению повышения энергоэффективности подвижного состава и организации в целом: технические; технологические; организационные. В работе уделено внимание техническим мероприятиям, направленным на повышение экономичности и надежности работы всех узлов и агрегатов тепловозов. Так одним из таких мероприятий является применение «гибридного привода», другим — реализация рекуперативного торможения на тепловозах. Под понятием «гибридный привод» подразумевается использование двух и более различных силовых установок, под рекуперативным торможением понимают вид электрического торможения, при котором не задействована пневматическая система локомотива, при этом тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а вырабатываемая ими электрическая энергия может быть полезно использована.

На сегодняшний день выполнен ряд исследований по указанным техническим мероприятиям. Так в области применения рекуперативного торможения, сотрудниками ВНИИЖТа доказано, что при дизельной тяге рекуперация позволит снизить расход топлива на 18–23 %, а с учетом стабилизации режима работы теплового двигателя до 30 % [1].

Применение «гибридного привода» за рубежом реализовано компанией General Motors совместно RailPower Technologies (запатентованы различные схемы и конструкции локомотивов с применением накопителей энергии). Так начиная с 2005 г. компании приступили к серийному производству маневровых тепловозов Green Goat с гибридной силовой установкой и накопителями энергии на основе аккумуляторных батарей. Дизель в Green Goat используется лишь для зарядки блока аккумуляторов (наряду с рекуперацией) и для поддержания оптимального уровня его заряда [2].

В свою очередь, в России создан гибридный маневровый локомотив ТЭМ9Н SinaraHybrid, сочетающий в себе наличие экологичного дизельного двигателя внутреннего сгорания средней мощности и комбинированного накопителя энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. По сравнению с предыдущей базовой моделью локомотива ТЭМ9, на 30 % снижен расход дизельного топлива и до 55 % меньше показатели выбросов отработанных газов в окружающую среду, что соответствует современным зарубежным стандартам по экологии и энергоэффективности [3].

Таким образом, сочетание «гибридного привода» совместно с системой рекуперативного торможения позволит добиться ряда преимуществ, описанных в работе ранее. Функционирование системы реализуется за счет: работы тяговых двигателей в генераторном режиме; получения, хранения и распределения электрической энергии батареей литий-ионных аккумуляторов и обеспечения работы вспомогательных приводов локомотива.

Один из возможных вариантов упрощенной схемы тяговой передачи тепловоза с гибридной системой представлен на рисунке 1.

схемка.jpg

Рис. 1. Схема тяговой передачи тепловоза с гибридной тяговой установкой: 1 — дизель; 2 — синхронный генератор; 3 — выпрямительная установка; 4, 5 — контакторы накопителя энергии; 6 — накопитель энергии (конденсаторная система)

Главным элементом гибридной системы является накопитель энергии 6 на основе электрохимических конденсаторов (рисунок 1). Такие конденсаторы носят название суперконденсаторов, которые обладают огромными преимуществами перед аналогичными аккумуляторами разных видов.

Преимущества суперконденсаторов следующие:

– наибольшая плотность мощности из всех разновидностей аккумуляторов — как объемная, так и весовая;

– ресурс эксплуатации составляет свыше 10 лет (около 100000 циклов заряда/разряда);

– очень быстрый процесс заряда батарей — до 100 % емкости от 15 до 40 минут;

– нет необходимости в обслуживании — суперконденсаторы герметичны;

– низкий показатель саморазряда — до 10 % в месяц;

– возможность работы при низких температурах без существенного снижения характеристик;

– возможность получения больших пусковых токов.

Для отражения эффективности применения рекуперативного торможения на тепловозах в статье выполнен расчет количества электрической энергии, вырабатываемой тяговыми двигателями при их работе в режиме генератора, для участка обращения «Алтайская — Бийск». При этом рассматривается вариант движения пассажирского состава, во главе которого — тепловоз ТЭП70БС, по указанному участку на основе данных реальной режимной карты.

Протяженность участка «Алтайская — Бийск» составляет 147 км. В соответствии с этим, количество сэкономленной энергии, при поддержании скорости на уклонах составляет сумму экономии на каждом уклоне, рассчитываемую по формуле 1.

(1)

где механическая работа торможения на спуске, ткм;

крутизна спуска, на котором производится рекуперативное торможение, ‰;

основное удельное сопротивление поезда, кг/т;

расстояние, на котором производится торможение, км;

сцепной вес тепловоза, т;

масса вагонов брутто, т.

При рекуперативном торможении для снижения скорости, что чаще всего имеет место при остановках, возможная энергия рекуперации равна погашаемой энергии поезда и может быть определена по формуле, МДж:

(2)

где механическая работа торможения, МДж;

, соответственно скорости в начале и конце рекуперативного торможения, км/ч.

Необходимая длина тормозного пути, на котором применяется рекуперация, равная, м:

(3)

где удельная тормозная сила рекуперации, кг/т;

Удельная тормозная сила рекуперации, равная, кг/т:

(4)

где механическая работа торможения, МДж;

Величина принимается в том же интервале скоростей, в котором определяется и потеря кинетической энергии.

Расчетная формула возможной механической работы рекуперации, МДж:

(5)

где механическая работа торможения, при снижении скорости на спуске, МДж;

основное удельное сопротивление поезда, кг/т;

Используя правила тяговых расчётов в локомотивной тяге находим, необходимы параметры для расчета. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчетов

Удельное сопротивление движению локомотива ωл, Н/кН

Удельное сопротивление движению пассажирских вагонов ωв, Н/кН

Нагрузка на ось пассажирского вагона, qo, т

Общее сопротивление движению поезда ωо, Н/кН

Масса пассажирского вагона mв, т

Количество осей пассажирского вагона no, шт

3,15

2,673

15

5, 823

60

4

Исходя из данных табл. 1, в расчёт не стоит принимать уклоны менее 5,823 ‰, так же не приняты уклоны длинной менее 500 м, как несущественные. Фрагмент результатов расчёта по приведенным выше формулам представлен в таблице 2.

Таблица 2

Анализ пути иколичество сэкономленной на уклонах энергии рекуперации

Прямое направление (Алтайская— Бийск)

Обратное направление (Бийск— Алтайская)

Крутизна уклона, ‰

Протяжённость, м

Количество сэкономленной энергии, МДж

Крутизна уклона, ‰

Протяжённость, м

Количество сэкономленной энергии, МДж

-7,5

2500

30,21

-14,3

600

36,66

-8,2

1800

30,84

-6,3

1500

5,15

-8,2

4700

80,52

-6,3

600

2,06

-7,3

1000

10,64

-7,5

1200

14,50

Для подведения итогов анализа профиля пути, вычислим общую протяжённость уклонов, км:

(6)

где протяжённость одного уклона.

Рассчитаем среднюю крутизну уклона, ‰:

(7)

гдекрутизна одного уклона, ‰;

общая протяжённость уклонов, м;

протяжённость одного уклона, м.

Обобщённые итоговые значения анализа профиля пути и расчёта сэкономленной энергии рекуперации во время поддержания скорости на спусках представлены в таблице 3.

Таблица 3

Итоги расчёта профиля пути иколичества полученной энергии рекуперации

Направление

Прямое

(Алтайская— Бийск)

Обратное

(Бийск— Алтайская)

Общая протяжённость уклонов, м

100000

Протяжённость уклонов, принятых в расчёт, м

24800

39100

Среднее значение уклонов, ‰

1,29

Среднее значение

уклонов, принятых в расчёт, ‰

-11,044

-10,62737

Общее количество сэкономленной энергии, МДж

725,96

1360,13

Согласно режимной карте «Алтайская — Бийск», в пути следования поезд совершает 18 остановок (включая остановку в пункте прибытия), в соответствии с этим, количество сэкономленной энергии, при торможении для осуществления каждой остановки, составляет сумму экономии на при каждой остановке, рассчитываемую по формуле (2):

Общее количество сэкономленной энергии в процессе работы рекуперации является суммой подсчитанных выше составляющих, МДж:

(8)

Подставив численные значения в формулу (8), получим:

Полученная величина сэкономленной энергии в процессе работы системы рекуперации в полной мере отражает высокую энергетическую эффективность, которая может быть получена в результате совместной работы «гибридного привода» и системы рекуперативного торможения. Таким образом, внедрение таких систем на тепловозах является актуальной задачей для транспортной отрасли и для ОАО «РЖД» в частности.

Литература:

  1. Лосев Е. П. Эффективность применения накопителей энергии в силовых установках автономных локомотивов: дис. канд. технических наук. Московский гос. университет путей сообщения, Москва, 2000.
  2. Патент US 2002/0174798, Пат. US 2005/0206331
  3. Зубихин А. В., Федоров Е. В., Тарасов А. Н.. Маневровый тепловоз с гибридной силовой установкой SinaraHybrid // Техника железных дорог. 2012. № 2. с. 45–50.
Основные термины (генерируются автоматически): рекуперативного торможения, применения рекуперативного торможения, «гибридного привода», гибридной силовой установкой, Реализация рекуперативного торможения, реализация рекуперативного торможения, тяговой передачи тепловоза, системой рекуперативного торможения, системы рекуперативного торможения, накопителей энергии, накопителя энергии, накопитель энергии, электрической энергии, сэкономленной энергии, гибридной тяговой установкой, литий-ионных аккумуляторов, области применения рекуперативного, эффективности применения рекуперативного, энергии батареей литий-ионных, вид электрического торможения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос