Тяговые и тормозные характеристики высокоскоростного электропоезда разработаны с учетом результатов комплексного исследования по установлению главных параметров высокоскоростной магистрали: максимальной и средней (маршрутной) скоростей, допустимых скоростей движения в кривых и расстояний между пунктами, где скорость отличается от максимальной, а также расстояний между промежуточными остановками.

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Исследованием, выполненным во ВНИИЖТе, было установлено, что на сети реконструируемых линий Советского Союза, где в перспективе можно ожидать применения высокоскоростного движения моторвагонных электропоездов с максимальной скоростью 200 км/ч, целесообразный уровень ограничения скорости в кривых участках пути составляет около 140 км/ч.

Параметры разгона и электрического торможения, характеризующие режим движения высокоскоростного электропоезда. Расчету тяговых параметров высокоскоростного электропоезда предшествует обычно анализ наиболее целесообразного режима движения при заданных граничных условиях по допускаемой скорости и с учетом известных требований по нагреванию тяговых двигателей, а иногда и по нагреванию элементов силового электрооборудования (например, тиристорного регулятора). Задача отыскания оптимального режима движения решается в простейшей форме с допущением, что сопротивление движению электропоезда в рассматриваемом интервале скоростей постоянно. При движении электропоезда между конечными пунктами маршрута с промежуточными ограничениями скорости v0, когда за общее время хода Т на расчетном перегоне скорость сначала возрастает от υ0 до υmах и далее после некоторого времени движения с равновесной тягой снова снижается до υ0, в оптимальном режиме [4] средняя скорость на участках разгона

Из выражения (1) следует, что при υmах = 200 км/ч и υ0= 140 км/ч скорость υр = 172 км/ч. Так как в указанном режиме средние скорости на участках разгона υp и торможения υт [равны, а время разгона составляет 30% общего времени хода, т. е. Tр = 0,3Т, и соответственно время торможения от υmах до υ0 равно Тт = 0,3Т', то средняя скорость на расчетном перегоне

Общее время хода на расчетном перегоне длиной 20 км (без учета времени следования с ограниченной скоростью υ0 на участке длиной 1 км)

Протяженность участка следования с равновесной тягой при установившейся максимальной скорости

что равно 41,5% длины расчетного перегона.

Если упростить решение задачи и принять на основании общих соображений наиболее распространенное для высокоскоростных линий условие движения с наибольшей скоростью на пути, равном 50% протяженности расчетного участка, т. е. в нашем примере на пути длиной 10 км, то длины участков разгона и торможения будут равны Lр = Lт = 5 км и среднее ускорение составит

Полученные таким образом в качестве первого приближения результаты по времени хода и средней скорости на 2—2,5% отличаются от значений, которые можно было бы определить точным способом по правилам тяговых расчетов (при реализации в период разгона значений постоянной «избыточной» мощности). В последнем случае среднее ускорение составило бы около 0,2 м/с2.

Мощность электропоезда. В выполненном выше анализе предполагалось, что для реализации полученных тяговых параметров тяговые двигатели высокоскоростного электропоезда обладают необходимой мощностью, которая определяется как эффективная

Рис. 5. Зависимость удельной продолжительной мощности от длины расчетного перегона

Рис. 5. Зависимость удельной продолжительной мощности от длины расчетного перегона

Мощность, необходимая для реализации каждой фазы движения, будет, естественно, тем больше, чем тяжелее поезд. Ввиду того, что масса электропоезда уточняется на стадии технического проекта (она зависит от массы тары вагонов и их числа в составе, а также от расчетной населенности вагонов), в предварительных расчетах эффективную мощность тяговых двигателей выражают обычно удельной величиной, относя к массе брутто электропоезда (кВт/т).

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Для указанных выше параметров расчетного перегона минимум удельной эффективной (продолжительной) мощности тяговых двигателей составляет 8,35 кВт/т и достигается в режиме движения с равными значениями ускорения и замедления'(примерно 0,15 м/с2). В этом случае мощность, реализуемая в фазе разгона, больше, чем в фазе электрического торможения, что обусловлено действием сопротивления движению (последнее препятствует ускорению, но способствует замедлению).

Заметим, что оптимальное решение по условию минимизации эффективной мощности не совпадает с оптимумом по расходу электроэнергии. Для скоростного электропоезда режим движения с наименьшим расходом энергии характеризуется, как и для пригородных электропоездов, наибольшим реализуемым средним ускорением.

Изменение параметров расчетного перегона (по его длине и по значению ограничения скорости при той же максимальной скорости) оказывает соответствующее влияние на эффективную мощность и реализуемую маршрутную скорость.

Из рис. 5 видно, как меняется удельная продолжительная мощность при изменении длины расчетного перегона и условии, что υmах = 200 км/ч и υ0 = 140 км/ч. За 100% приняты значения мощности, относящиеся к расчетной длине перегона 20 км. Например, уменьшение расчетной длины перегона на 25% (с 20 до 15 км) приводит к увеличению удельной продолжительной мощности на 21%. Если же увеличить расчетную длину перегона на 25% (с 20 до 25 км), то удельная продолжительная мощность снижается на 10%. В обоих рассмотренных случаях маршрутная скорость изменяется весьма незначительно (на 0,5—1,0%).

Не следует думать, что, если не уменьшая мощности электропоезда, увеличить расчетную длину перегона, то благодаря „избыточной мощности получим существенный прирост маршрутной скорости. Практически большого прироста маршрутной скорости не будет из-за того, что максимальная скорость остается на заданном уровне 200 км/ч. Расчеты показывают, что даже при увеличении в 2 раза расчетной длины перегона (с 20 до 40 км) при сохранении прежней мощности электропоезда маршрутная скорость увеличится всего на 2,5%. В случае же, когда длина перегона уменьшается, а расчетная мощность электропоезда при этом сохраняется прежней (не увеличивается), маршрутная скорость снижается существенно, так как режим движения электропоезда выбирают с учетом нагревания тяговых двигателей. Очевидно также, что уменьшение расчетного значения ограничения скорости потребует соответствующего увеличения удельной продолжительной мощности тяговых двигателей.

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Тяговые характеристики электропоезда ЭР200, удельная продолжительная мощность которого равна 11,9 кВт/т, фактически обеспечивают выполнение требуемых эксплуатационных показателей на линии с равнинным профилем при расчетных скоростях движения 200—140 км/ч и длине расчетного перегона не менее 15 км.

Выполняя расчет мощности электропоезда, учитывают обычно вероятность отклонения в эксплуатации граничных условий (по значению ограничения скорости и расстоянию между пунктами указанных ограничений) от расчетных. Поэтому для современных электропоездов с конструкционной скоростью 200—210 км/ч характеристики удельной эффективной мощности, реализуемые на условном расчетном перегоне, и фактические значения установленной удельной продолжительной мощности двигателей находятся в соотношении, равном примерно 1,3—1,4.

До сих пор речь шла о требуемом значении удельной продолжительной мощности электропоезда, необходимом для обеспечения оптимального режима движения на перегоне при заданных граничных условиях. Что же касается мощности, которую необходимо иметь при υmах, то она зависит от ряда технических характеристик линии и подвижного состава, а также от ускорения, которое требуется иметь, когда скорость поезда достигает υmах (так называемое «остаточное» ускорение). Мощность на валу тягового двигателя при максимальной скорости, кВт

где W0 — полное сопротивление движению поезда на площадке при максимальной скорости, Н;
aост — «остаточное» ускорение при максимальной скорости, м/с2;
Q — масса поезда, т;
γ — коэффициент инерции вращающихся масс поезда;
ηпер — к.п.д. передачи двигателя;
m — число двигателей.

«Остаточное» ускорение на горизонтальном участке пути принимают обычно для высокоскоростного электропоезда не менее 0,05 м/с2, что примерно соответствует обеспечению максимальной скорости при равновесной тяге на подъемах около 5°/00.

Сопротивление движению высокоскоростного электропоезда, как правило, меньше, чем оно могло бы быть у обычного пригородного электропоезда в диапазоне скоростей 100—200 км/ч, благодаря хорошей обтекаемости головного и хвостового вагонов, отсутствию выступающих частей на боковых стенках всех вагонов и перекрытию промежутков между вагонами с боков и сверху гибкими обтекателями.

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Основное удельное сопротивление движению (Н/т) 14-вагонного электропоезда определяют с достаточной для предварительных расчетов точностью по следующим формулам соответственно для движения под током и без тока:

Рис. 6. Зависимости удельного сопротивления движению от скорости:

Рис. 6. Зависимости удельного сопротивления движению от скорости: 1 — порожний восьмивагонный электропоезд ЭР200, участок Бабино—Чудово, встречный ветер 8 м/с под углом 30°, температура воздуха +10° С; 2 — то же, бесстыковой путь участка Бабино—Любань, ветер слабый, температура воздуха +10° С; 3 — зона опытных значений для шестивагонного электропоезда ЭР200, бесстыковой путь участка Ханская—Белореченская, ветер слабый, температура воздуха +25° С; 4 — японский 12-вагонный электропоезд «Хикари»; 5 — по формуле (6); 6 — по формуле (5)

Указанные формулы рекомендуют [5, 6] для высокоскоростного электропоезда с вагонами длиной 26 м, миделем 10—11 м2 и массой, приходящейся на ось до 17 т. Кривые, построенные по этим формулам, хорошо согласуются с приведенными на рис. 6 опытными данными1.

Тяговые расчеты, выполненные с учетом сопротивления движению для электропоездов различной массы брутто с проверкой двигателей на нагрев (по эффективному току), позволили составить номограмму (рис. 7). Расчеты выполнены в предположении, что эффективный ток тяговых двигателей с учетом электрического торможения при каждом ограничении скорости равен 0,85 часового. Пользуясь номограммой, можно предварительно оценить мощность электропоезда, если известны максимальная скорость движения и масса поезда брутто. Для этого достаточно соединить прямой линией, как это показано на рис. 7, численное значение максимальной скорости на оси υmах со значением массы поезда на оси QбP. Требуемая мощность находится в точке пересечения указанной прямой с кривой мощности, относящейся к данной максимальной скорости. На рис. 7 в качестве примера определены мощности скоростных электропоездов для максимальных скоростей 200 и 250 км/ч и пригородного электропоезда с максимальной скоростью 130 км/ч.

Рис. 7. Номограалма для предварительного определения часовой мощности электропоезда по массе брутто и максимальной скорости

Рис. 7. Номограмма для предварительного определения часовой мощности электропоезда по массе брутто и максимальной скорости

При построении номограммы принято условие, что поезда с различными максимальными скоростями рационально эксплуатировать на линиях с соответствующими этим скоростям расстояниями между пунктами ограничения скорости и соответственно различными значениями этих ограничений. Для электропоезда с максимальной скоростью 180—220 км/ч ограничение скорости принято 140 км/ч, а среднее расстояние между пунктами ограничения 15—20 км; для электропоезда с максимальной скоростью 240—250 км/ч ограничение скорости принято 160 км/ч, а среднее расстояние между пунктами ограничения 25—30 км. Кривая, относящаяся к электропоездам с υmах = 130 км/ч, построена с учетом условий пригородного движения с частыми остановками, в среднем через каждые 3 км.

Для электропоезда с υmах = 200 км/ч и массой брутто 869 т (показатели электропоезда ЭР200) часовая мощность определена по номограмме значением 11 МВт. Отметим, что у первого опытного электропоезда ЭР200 часовая мощность составляет 10,3 МВт по расчету тяговых двигателей и 11,5 МВт по их испытаниям.

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Скоростная характеристика тягового двигателя. Наряду с мощностью тяговые двигатели характеризуются диапазоном скоростей, в котором осуществляются регулирование напряжения на коллекторе и регулирование возбуждения, иными словами, — параметрами, которые определяют «высоту» скоростной характеристики.

Анализ характеристик тяговых двигателей показывает, что для сохранения значительной силы тяги при высоких скоростях движения, т. е. для получения требуемого ускорения в конце разгона целесообразно выполнять тяговые двигатели с «высоколежащими» характеристиками и осуществлять регулирование возбуждения в довольно узком диапазоне. Если это требование выполнить, то ток и магнитный поток тяговых двигателей будут при достижении максимальной скорости близкими к их значениям при часовом режиме. Из изложенного следует, что для тягового двигателя высокоскоростного электропоезда целесообразно иметь возможно меньшее значение коэффициента регулирования скорости

Двигатель с меньшим значением кυ обеспечивает при высоких скоростях большее ускорение поезда, чем двигатель той же мощности, но с большим значением кυ. К тому же у него будут лучшие массо-габаритные показатели и более благоприятные потенциальные условия на коллекторе. Последнее вытекает из следующего. Подставим в известное выражение мощности тягового двигателя

Предполагается, что при конструировании двигателей для скоростного электропоезда определены значения мощности Р (кВт), диаметра якоря Da (см), коэффициента магнитного перекрытия α. Кроме того, исчерпаны такие возможности, как увеличение линейной нагрузки AS (А/см), магнитной индукции в воздушном зазоре Вδ (Тл) и частоты вращения nmах. Отсюда видно, что при выбранных значениях Р, Da, а, В6, AS и nmax, уменьшая кр, можно одновременно уменьшить эффективную длину якоря tа (см). При этом увеличивается номинальная частота вращения якоря nч, но снижается номинальный вращающий момент двигателя.

Таким образом, двигатель одной и той же мощности с меньшим значением кυ будет иметь в зоне низких частот вращения меньший вращающий момент, а в зоне высоких — больший, чем двигатель с большим значением кυ. Кроме того, с уменьшением расчетного значения кυ снижается масса двигателя благодаря уменьшению tа. Одновременно улучшаются потенциальные условия на коллекторе двигателя ввиду сокращения диапазона ослабления возбуждения. Наряду с получением требуемых тяговых показателей уменьшение коэффициента кυ способствует повышению эффективности электрического торможения, так как в зоне высоких скоростей двигатель с меньшим кυ способен развивать больший тормозной момент, чем двигатель с большим кυ. Однако при этом снижается тормозное усилие в зоне низких скоростей, что, впрочем, не имеет существенного значения, так как основная доля кинетической энергии переходит в электрическую именно в зоне высоких скоростей.

Рис. 8. Тяговые характеристики электропоезда при kv =3,73 (/) и kv = = 1,48 (2)

Рис. 8. Тяговые характеристики электропоезда при кυ1=3,73 (1) и кυ2=1,48 (2)

Из изложенного следует, что специальные требования, которые предъявляют к параметрам тяговых двигателей условия высокоскоростного движения, в значительной степени удовлетворяются выбором возможно меньшего значения кυ. Проследим это на примере тягового двигателя с часовой мощностью 240 кВт для пригородного электропоезда с υmах — 130 км/ч. Он имеет массу 2200 кг и кυ1 = 3,73. Уменьшим коэффициент регулирования скорости этого тягового двигателя в 2,5 раза до кυ2 = 1,48, во столько же раз уменьшив эффективную длину его якоря. Тяговые характеристики 14-вагонного электропоезда для обоих вариантов тяговых двигателей поясняются рис. 8.

Тяговые расчеты показывают, что разгон 14-вагонного поезда с характеристикой 2 до скоростей менее 140 км/ч выполняется медленнее, а до скоростей, превышающих 140 км/ч, быстрее, чем у поезда с характеристикой /. На пути около 6 км электропоезд с характеристикой 2 достигает скорости 200 км/ч, имея остаточное ускорение 0,05 м/с2, а электропоезд с характеристикой 1 на том же пути развивает скорость лишь 160 км/ч. (Отметим, что сопротивление движению для обоих вариантов принято соответствующим высокоскоростному электропоезду.)

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Уменьшение длины якоря у двигателя с кυ2 приводит к тому, что несмотря на увеличение примерно в 2 раза реализуемой мощности при максимальной скорости, реактивная э. д. с. возрастает лишь на 0,3 В. Расчеты потерь и к. п. д. показывают, что для двигателя с кυ1 режим работы с максимальной скоростью явно неэкономичен, так как в этом режиме к. п. д. двигателя снижается на 6—7% по сравнению с часовым режимом. В то же время для двигателя с кυ2 работа в режиме максимальной скорости соответствует зоне наибольших значений к. п. д. К тому же к. п. д. двигателя с меньшим кυ примерно на 2% выше ввиду уменьшения длины меди обмоток и снижения в связи с этим электрических потерь примерно на 40%.

Оценка возможного снижения массы двигателя при уменьшении длины якоря в 2,5 раза показала, что можно рассчитывать на облегчение двигателя примерно на 800 кг, а тары моторного вагона на 3,2т.

В нашем примере уменьшение кυ с 3,73 до 1,48 привело при пуске к повышению скорости выхода на безреостатную позицию с 53 до 118 км/ч, что значительно повысило потери энергии в пусковых реостатах.

Однако указанные потери снижаются примерно в 2 раза благодаря группировке тяговых двигателей с использованием восьмимоторной силовой цепи путем объединения силовых цепей двух моторных вагонов.

Таким образом, для удовлетворения основных требований к тяговым двигателям скоростного электропоезда, а именно: сохранения значительной силы тяги и тормозной силы (при электрическом торможении) в зоне высоких скоростей, а также уменьшения массы двигателей и их размеров коэффициент регулирования скорости рекомендуется выбирать возможно меньшим, выполняя сравнение вариантов характеристик двигателей по условиям разгона после прохода участков пути, требующих ограничения скорости.

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Высокоскоростной электропоезд ЭР-200

Тяговые двигатели первого электропоезда ЭР200 спроектированы с расчетом, чтобы их параметры соответствовали более низкому по сравнению с расчетным уровню ограничений скорости движения в период испытаний и организации высокоскоростного движения на линии.

Они имеют кυ = 1,83, что на 20—25% выше рекомендуемого значения для расчетных условий, характеризующихся υmах = 200 км/ч и υ0— 140 км/ч. Однако сила тяги сохраняется на достаточно высоком уровне практически до максимальной скорости, благодаря глубокому ослаблению возбуждения тяговых двигателей до 19—20%.

РВЗ

Руководства по эксплуатации, электрические схемы и их описание, пневматические схемы, памятки и литература самиздата, документация по компонентам электропоездов Рижского Вагоностроительного Завода (РВЗ).

ЦДМВ

Подборка железнодорожной литературы, нормативной и правовой документации, руководящих приказов и указаний.

Купить etrain.su

Приобрести доменное имя etrain.su в магазине доменов RU-Center. Вместе с доменом будет предоставлена копия данного Интернет-сайта: 575 публикаций, 1980 изображений.

Ограниченная ответственность. Материалы, размещенные на этом Интернет-сайте взяты из открытых источников и размещены на безвозмездной основе. Копирование информации из одного открытого источника в другой не является нарушением авторских и смежных прав.

2023 © Максим Веселов. Все права защищены. Сетевое издание «Электрическая и тепловая тяга (ЭТТ)», зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, свидетельство о регистрации ЭЛ № ФС77-886984 от 19.03.2024 г.