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 в функции времени представляется трапецеидальной. Выделяют следующие составляющие расхода электроэнергии:

- на приобретение поездом кинетической энергии (А _к);

- на преодоление сопротивления движению при разгоне (А_{w р});

- на преодоление сопротивления движению при движении с постоянной скоростью (А_{w у});

- на потери при пуске (А _пп);

- на собственные нужды (А _сн);

- возврат электроэнергии при рекуперации (А _р).

А = А _к + А_{w р} + А_{w у} + 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, тяговой передаче и тяговом преобразователе:

;

.

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, тяговой передаче и тяговом преобразователе:

.

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

.

Для получения представления о коэффициенте пусковых потерь k _пп 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 ТД и пусковых реостатов (четырехугольник а 0 еd) и полезную работу (треугольник а 0 b).

В том случае, если имеется несколько группировок ТД, то диаграмма изменения потерь в пусковых резисторах принимает ступенчатый вид. Коэффициент пусковых потерь равен отношению энергии теряемой в пусковых сопротивлениях к энергии, идущей 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, ЧС6, ЧС200);

- для трехступенчатого пуска шестиосного электровоза k _пп = 1/3 (ЧС2Т, ВЛ15, ЭП2К);

- для трехступенчатого пуска восьмиосного электровоза k _пп = 3/8 (ВЛ10, ВЛ11, ЧС7).

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:

А _сн = Р _сн× Т _х.

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.

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