способы повышения энергоэффективности электропоездов
advertisement
VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА Бриедис Александр Научный руководитель: Виктор Дмитриевич Тулупов Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва Постоянный и значительный рост стоимости электроэнергии диктует необходимость максимального повышения эффективности ее потребления. В общегосударственном масштабе эта задача поставлена в действующем законе РФ «Об энергоэффективности». Задолго до его принятия комплекс мер по снижению удельных энергозатрат на железнодорожном транспорте был сформулирован в Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги». ОАО «РЖД», является крупнейшим потребителем энергоресурсов в стране (в том числе 5% вырабатываемой электроэнергии), причём основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов в компании приходится на тягу поездов. В частности, на тягу поездов расходуется 82% всего объёма потребляемой компанией электроэнергии, а её оплата составляет основную часть затрат на энергоресурсы, так как на электротяге выполняется до 87% всей работы железных дорог. Большая доля в эксплуатационных расходах ОАО «РЖД» на оплату электроэнергии усиливает актуальность проблемы снижения энергоемкости электроподвижного состава. Есть основания полагать, что в Энергетической стратегии ОАО «РЖД» либо не учтены вообще, либо учтены не в полной мере возможности улучшения энергетических показателей электропоездов (ЭП) постоянного тока (ПТ) в пригородном движении, в частности, за счет их оснащения разработанной в МЭИ энергосберегающей системой тягового электропривода (ЭС ТЭП).[1] Её внедрение было заблокировано бездоказательными утверждениями ВНИИЖТ о безусловных преимуществах перед ней систем ТЭП с высоковольтными тяговыми машинами (ВВ) ТМ и с импульсным управлением (ИУ). Но ТЭП с ИУ оказалась неэффективным по всем показателям [2], а система с ВВ ТМ наряду с плохими показателями имела и низкую надёжность. В результате обе эти системы не были приняты в серийное производство и уже полвека производится ЭП с разработанной МЭИ с участием РЭЗ энергоёмкой системой ТЭП с постоянным последовательным соединением всех 4-х ТМ, каждого моторного вагона и с рекуперативно-реостатным торможением [3]. 83 VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» При постоянном последовательном соединением всех 4-х ТМ вдвое снижалось напряжение на коллекторах, и вдвое же увеличивался ток якоря ТМ, а отношение их номинальных напряжений и токов Uк/Iя , выраженных соответственно в вольтах и амперах, существенно приближалось к единице – оптимальному значению. Такие одноомные ТМ имеют преимущества по всем показателям. Именно поэтому на электровозах переменного тока, у которых выбор рассматриваемого соотношения реально неограничен, а также на вагонах метрополитена используются одноомные ТМ. Снижение напряжения на коллекторах с 1,5кВ до 750В сделало возможным применение на них рекуперативного торможения и снижение токов в обмотках возбуждения (ОВ) до 0,2 от величины токов якорей ТМ. В результате резко улучшились показатели ТМ: увеличились их мощность и сила тяги в зоне высоких скоростей движения. В итоге поезда с этой системой ТЭП (ЭР2Р), имели (имеют) при прогнозировавшемся ВНИИЖТом росте технической скорости до 72 км/ч превосходные энергетические показатели: потребление энергии из контактной сети (КС) по сравнению с ЭП предыдущей серии ЭР2 снижалось на 30%. Однако предрекаемого роста технической скорости движения ЭП не произошло, и при её реальном значении потребление энергии поездами с новой системой ТЭП осталось на уровне показателя поездов ЭР2. Из-за снижения скорости, при которой начинается рекуперация, резко снижается её эффективность, и возврат энергии при рекуперации не компенсирует роста потерь энергии в тяге. Обусловленная объективными обстоятельствами и позицией ВНИИЖТ, задержка внедрения «прогрессивных» систем ТЭП с ИУ и ВВ ТМ и продолжавшийся серийный выпуск ЭП с ТМ с напряжением на коллекторах 750В привели к тому, что сегодня практически все ЭП оборудованы энергоёмким ТЭП с напряжением на коллекторах ТМ 750В. Но создавшееся положение имеет и положительную составляющую: однотипность ТЭП эксплуатируемых и выпускаемых ЭП повышает эффективность их модернизации, которая необходима для устранения их основного недостатка – низкой энергетической эффективности в реальных сегодня условиях эксплуатации. Поэтому возникла необходимость поиска путей улучшения энергетики серийных ЭП с новой системой ТЭП без перегруппировки ТМ. Очевидным, практически инстинктивным путём решения этой проблемы был возврат к использованию на ЭП двухступенчатого реостатного пуска и двухступенчатого же рекуперативного торможения. 84 VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» Для реализации этого эффективного решения ВНИЖТом было настоятельно рекомендовано использовать перегруппировку ТМ на одном моторном вагоне (МВ), что возможно только при увеличении напряжения на коллекторах ТМ до 1,5(а реально до 2х кВ). Это решение имеет ряд серьёзных недостатков: Увеличение напряжения питания ТМ существенно ухудшает их показатели, в частности, уменьшает надёжность, мощность и увеличивает массу. Практически исключает возможность модернизации эксплуатируемых ЭП с низковольтными (НВ) ТМ Требует замены практически всего комплекта электрооборудования (ЭО) МЭИ и РЭЗ предложили использовать для реализации той же цели так называемую «сплотку» из двух моторных вагонов МВ. В этом решении в начале пуска все 8 ТМ 2х МВ включаются последовательно, а затем происходит перегруппировка, и МВ работают индивидуально, как и серийные.[3] В этой схеме пусковые реостатные потери уменьшаются вдвое. К тому же, она даёт возможность простого решения проблемы дополнительного снижения реостатных потерь за счёт использования энергосберегающих алгоритмов пуска, при которых на последовательной группировке перегруппировка не производится, а сила тяги поддерживается на уровне пусковой за счёт шунтирования ОВ ТМ. Перегруппировка производится при скорости движения, на которой в «классической» схеме двухступенчатого пуска закончилось бы выключение пускового резистора на параллельной группировке. В результате пусковые реостатные потери уменьшаются еще вдвое или целом в 4 раза по отношению к классическому одноступенчатому пуску эксплуатируемых ЭП типа ЭД4. В итоге даже при низких скоростях движения реостатные потери не превышают 5% от потребления энергии из контактной сети а её суммарное потребление с учётом рекуперативного торможения уменьшается ориентировочно на 30%. Этот показатель подтверждён и во многих испытаниях, и в эксплуатации. Такие энергетические показатели не могут быть получены в альтернативных системах ТЭП. Но и эта система ТЭП не внедряется в конечном итоге из-за обструкции ВНИИЖТ. Вместе с тем ЭС ТЭП имеет резервы дальнейшего улучшения эксплуатационных показателей, в частности, за счёт применения независимого возбуждения (НВ) ТМ и в режимах тяги. Существенным преимуществом НВ ТМ является возможность применять на ЭП 85 VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» рекуперативное торможение - основной резерв улучшения их энергетических показателей. Достоинством системы электрической тяги постоянного тока является простота осуществления и высокие энергетические показатели рекуперативного торможения, в процессе которого напряжение в контактной сети увеличивается. Благодаря этому улучшаются условия работы ЭПС, следующего в режиме тяги, и снижаются потери энергии в устройствах электроснабжения. Недостатком эксплуатируемых ЭП является относительная сложность реализации на них НВ ТМ с требуемыми показателями. Практически весь парк отечественного электроподвижного состава постоянного тока имеет контакторно-резисторное управление, в связи с чем рекуперативное торможение здесь возможно только при независимом возбуждении ТМ с питанием обмоток возбуждения (ОВ) от специального источника с регулируемым напряжением. Поэтому указанный недостаток является серьезным препятствием для более эффективного использования рекуперативного торможения на электрифицированных участках постоянного тока. Применение независимого возбуждения тяговых машин в режиме тяги на электроподвижном составе с рекуперативным торможением обеспечивает ряд дополнительных преимуществ. В частности, улучшаются тяговые свойства в пусковых режимах за счёт повышения динамической жесткости тяговых характеристик, увеличивается сила тяги в зоне высоких скоростей движения в связи со снижением разброса нагрузок тяговых машин и возможностью регулирования силы тяги по всем ограничивающим ее параметрам. Также, благодаря исключению аппаратуры, необходимой для осуществления режима последовательного возбуждения и перевода тяговых машин из режима последовательного возбуждения при тяге в режим независимого возбуждения при рекуперации, упрощается электрооборудование. Указанные преимущества независимого возбуждения тяговых машин в режиме тяги привели к многочисленным попыткам его практической реализации на базе электромашинных преобразователей с их известными недостатками, включая и малую мощность. Таким образом, возможное в случае оборудования ЭПС статическими возбудителями, независимое возбуждение ТМ и в режиме тяги, позволит значительно улучшить его тяговые свойства и, следовательно, существенно повысить технико-экономическую эффективность. В принципе, возможно применение преобразователей двух типов: импульсных без звена переменного тока и инверторных со звеном 86 VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» переменного тока. Опыт использования преобразователей этих типов на электроподвижном составе показал, что лучшими техникоэкономическими показателями обладают инверторные преобразователи. Их существенным преимуществом является именно наличие звена переменного тока, позволяющего сравнительно просто получить требуемое число выходов с постоянным напряжением любого уровня. Это позволяет иметь на тяговой единице только один преобразователь для питания всех потребителей и применять для их регулирования хорошо отработанные устройства фазового управления напряжения на выходе выпрямителей. В свою очередь выбор конкретной схемы инвертора также влияет на конечную эффективность использования статических преобразователей на электроподвижном составе и представляет собой непростую технико-экономическую задачу. Известно большое число различных принципиальных схем инверторных преобразователей, и именно их разнообразие затрудняет выбор наиболее эффективной для использования на электроподвижном составе. Не менее важным вопросом является выбор схемы собственно возбудителя, т.е. выпрямителя, от которого питаются обмотки возбуждения. Здесь возможны два решения: применение полууправляемого или полностью управляемого выпрямителя. Определённым недостатком использования в качестве возбудителя полностью управляемого выпрямителя является ухудшение энергетических показателей инвертора. В этом случае из-за увеличения эффективных токов в трансформаторе и сдвига фаз тока и напряжения возрастают потери и снижается к.п.д. инвертора. Тем не менее, предпочтение следует отдать все же возбудителю, выполненному на базе полностью управляемого выпрямителя. Он обеспечивает практически безынерционное изменение знака приложенного к обмотке возбуждения напряжения, что ограничивает изменение тока рекуперации при резком понижении напряжения в контактной сети. Оборудование электроподвижного состава постоянного тока статическими преобразователями в целом может дать существенный технико-экономический эффект благодаря улучшению его тяговых свойств, повышению эффективности рекуперативного торможения и снижению расхода энергии на собственные нужды. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тулупов В.Д. Тяговый электропривод постоянного тока с наилучшими технико-экономическими показателями. 87 VII Всероссийская конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» Сборник «Электросила», выпуск 41 Санкт-Петербург 2002 с 196-210. 2. Тулупов В.Д. Эффективность электроподвижного состава с импульсным управлением. Железнодорожный транспорт 1994 №3,4. 3. Возможность резкого улучшения энергетических показателей электропоездов// Тулупов В.Д., Ю.А.Кирюхин, А.П.Марченков и др.// Железнодорожный транспорт 2003 №6 С. 45-51. РЕАЛИЗАЦИЯ БПФ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ С АРХИТЕКТУРОЙ ARM CORTEX M4 И МНОГОЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОРАХ С АРХИТЕКТУРАМИ IA32-IA64 Буй Бинь Занг, Черемнов Александр Геннадьевич Научный руководитель: Аврамчук Валерий Степанович Томский Политехнический Университет, г. Томск В настоящее время в связи с непрерывным развитием вычислительной техники предъявляются повышенные требования к скорости обработки больших массивов данных, по этой причине намечается тенденция на повышение использования многоядерных процессоров и 32-разрядных микроконтроллеров. Cortex-M4 – последняя на сегодняшний день разработка в подсемействе Cortex M, представляет собой встраиваемое процессорное ядро, которое разработано для систем, требующих простое в применении устройство, сочетающее функции управления и цифровой обработки сигнала [1]. В ЭВМ повышение производительности возможно за счет увеличения тактовой частоты работы центрального процессора. В свою очередь дальнейшее увеличение тактовой частоты затруднено фундаментальными физическими ограничениями при изготовлении сверхбольших интегральных схем. На данный момент за счёт повышения количества вычислительных ядер достигается дальнейший рост производительности ЭВМ. Таким образом, одновременное использование несколько слабых процессоров позволяет получить мощность превышающую мощность одного мощного процессора. В этом случае сумма предельных производительностей вычислительных ядер будет определять предельную производительность всего 88
