Лекция 2 План лекции

Лекция 2
План лекции
1. Технико-экономическое сравнение электрической тяги с тепловой;
2. Системы тока и напряжения, применяемые в электрической тяге
3. Силы, действующие на поезд в различные периоды движения.
В мировой и отечественной практике подавляющая часть
пассажирских и грузовых перевозок осуществляется тепловой и
электрической тягой.
Электрическая тяга является более современным видом и должна в
конечном счете полностью заменить тепловую
Отсутствие запасовв топлива, малый вес на единицу мощности,
1
централизованное электроснабжение дают электрической тяге
ряд преимуществ.
Основными преимуществами электрической тяги по сравнению с
тепловой являются:
1. Значительная экономия топлива в том числе высокосортного
(при питании от ГЭС экономия составляет 100%).
2. Отсутствие затрат на транспортирование топлива.
3. Возможность рекуперации энергии в сеть при электрическом
торможении.
4. Отсутствие выделений отработанных газов.
5. Эксплуатационная надежность ТЭД, способность переносить
значительные перегрузки и более простой уход за ним в
сравнении с ДВС.
6. Эксплуатационные расходы при электрической тяге ниже чем
при тепловой.
7. Более низкий уровень шума электрической тяги в сравнении с
тепловой.
8. Возможность получения высоких динамических показателей
ЭПС.
9. Одним из существенных технико-экономических преимуществ
электрической тяги является ее высокий КПД.
КПД электрической тяги определяется произведением КПД
составляющих звеньев:
  1 2 3 4 5
1 – КПД электрической станции (для ГЭС близок к единице)
2 – КПД ЛЭП и районных трансформаторных подстанций (может
быть принят 0,95÷0,96)
3 – КПД тяговой подстанции (среднее значение 0,90÷0,92)
4 – КПД тяговой сети (0,92÷0,94)
5 – КПД электроподвижного состава (0,90)
Тогда суммарный КПД электрической тяги может составлять
  0,71  0,75
что на порядок (в десять раз и более) превышает общий КПД
тепловой тяги.
Электрическая тяга исключительно применяется для подземных
шахт, где использование ДВС недопустимо по соображениям
вредного дыма и копоти. Кроме того весь метрополитен и ГЭТ в
мире работают на электрической тяге.
2
Общие недостатки электрической3
тяги
- зависимость работы ЭПС от состояния и надежности
ТС, ТП и электрических станций;
- влияние процесса токосъема и коммутации
аппаратуры на работу теле и радиоустройств;
- загромождение улиц, дорог и площадей тяговой
сетью;
- наличие блуждающих токов для рельсового
электрического транспорта может вызвать коррозию
подземных сооружений
Однако, эти недостатки в значительной мере
перекрываются преимуществами электрической тяги.
В современных условиях альтернативы
использования электрической тяге не существует.
Системы тока и напряжения,
применяемые в электрической
тяге
В современной мировой практике используются следующие
системы электрической тяги:
1. Система постоянного тока;
2. Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц
3. Система однофазного тока пониженной частоты 16 2 3 и 25 Гц
4. Система трехфазного тока.
1. Система постоянного тока до сих пор наиболее
распространена во всем мире. Практически весь городской
электрический транспорт (ГЭТ), метрополитен, подземный
горнодобывающий и подавляющее большинство промышленного
электрического транспорта работают по системе постоянного тока,
а также 50 – 60% магистральных электрических железных дорог
электрофицированы на постоянном токе. (см. основные элементы
городской электрической дороги)
4
5
Номинальное напряжение на вторичных
шинах ТП по ГОСТ 6962-94 составляет:
а) для ГЭТ – 600 В; б) метрополитена – 825
В; в) электропоездов и магистральных
электровозов 1650 В, 3300 В и 6600 В.
Среднее же значение напряжения на
токоприемниках ЭПС отличается от
номинального на ВШ ТП и составляет,
соответственно для разных транспортных
средств – 550 В; 750 В; 1500 В; 3000 В и 6000 В.
В настоящее время проектируется система
постоянного тока 12000 В. Это дает
возможность уменьшить сечение контактных
проводов и сократить количество ТП
2. Система однофазного
переменного тока 50 гц
В данной системе 3-х фазный ток промышленной
частоты преобразуется на тяговых подстанциях при
помощи ТТр, понижающих напряжение сети до
требуемого уровня и питающих КС однофазным
током напряжением 27 кВ. На ЭПС производится
дальнейшее понижение напряжения до величины,
целесообразной для питания ТЭД. В зависимости от
типов ТЭД, применяемых на ЭПС, данная система
электрической тяги подразделяется:
2.1. Однофазно-постоянного тока;
2.2. Однофазно-многофазного тока;
2.3. С однофазными коллекторными тяговыми
двигателями
6
2.1. Подсистема однофазнопостоянного тока
110 кВ, 50 Гц
ТП2
ТП1
l = 60-80 км
ТТр
27 кВ СИ
Тр
50 Гц
ПТ ОВ
Я
ТЭД ПТ
ЭПС
ТТр
7
2.2. Подсистема однофазномногофазного тока
110 кВ, 50 Гц
ТП2
ТП1
l = 60-80 км
ТТр
27 кВ СИ
50 Гц
ПФ
Тр
АТД
ЭПС
ТТр
8
2.3. Подсистема с однофазным
коллекторным ТЭД
9
110 кВ, 50 Гц
ТП2
ТП1
l = 60-80 км
ТТр
27 кВ СИ
50 Гц
Тр ПРА
ЭПС
ОКД
ТТр
Характерными особенностями
системы однофазного тока 50
Гц является простота и надежность ТП, однако однофазные
тяговые трансформаторы на ТП
создают несимметричную
загрузку СЭС.
Простота выполнения ТП
приводит к усложнению ЭПС.
3. Система однофазного тока
пониженной частоты
10
В данной системе 3-х фазный ток промышленной частоты преобразуется на тяговых
подстанциях в однофазный ток пониженной
частоты 16 2 3 Гц (либо 25 Гц) и при помощи ТТр
понижается напряжение КС до 16 кВ. На ЭПС
также производится понижение напряжения до
уровня целесообразного для питания ОКД.
110 кВ, 50 Гц
ТП2
ТП1
ТТр l = 80-100 км
ПЧ
16 кВ СИ
ТТр
16 2 3 Гц ПЧ
Тр ПРА
ЭПС
11
ОКД
В данной системе электрической тяги упрощается ЭПС и
облегчается процесс коммутации ОКД на пониженной частоте. Вместе с тем происходит
усложнение ТП.
4. Система трехфазного тока
ТП2
ТП1
l = 50-60 км
ТТр
ПРА
СИ 50 Гц
22 кВ
ЭПС
АТД
ТТр
12
В этой системе КС выполняется
двухпроводной, а рельсовая
сеть служит третьим проводом.
На ТП напряжение трехфазного
тока понижается с помощью ТТр
до уровня целесообразного для
передачи энергии по КС. На
ЭПС 3-х фазные АТД питаются
при пониженном напряжения с
помощью 3-х фазного трансформатора.
Система трехфазного тока в
настоящее время признана
неперспективной и ранее
электрифицированные по этой
системе участки постепенно
переоборудуются на другие
системы.
3. Силы, действующие на поезд в
различные периоды движения
Движение ЭПС по рельсовым путям или дорогам
имеет сложный характер.
Основное поступательное движение поезда со
скоростью V вдоль оси пути неразрывно связано с
вращением колесных пар, якорей ТЭД и частей
движущих механизмов.
На поступательное движение поезда налагаются
паразитные, колебательные движения, которые
возникают как из-за внешних воздействий на ЭПС со
стороны пути и окружающей среды, так и вследствие
взаимодействия между отдельными вагонами ТС.
В последующем изложении будет рассматриваться
только полезное движение ЭПС. Затраты энергии на
паразитные движения учитываются лишь в целом
путем некоторого увеличения сопротивления движению
поезда.
Процесс движения ЭПС по участку пути характеризуется тремя 14
режимами работы:
- Режим тяги (движение с включенным ТЭД)
- Режим выбега (движение с отключенным ТЭД)
- Режим торможения (электрическим либо механическим
способами)
В режиме тяги на поезд действует сила тяги (F), создаваемая
ТЭД на ободе движущего колеса, и сила сопротивления движению
(W). Сила тяги F всегда совпадает с направлением движения ЭПС.
Сила сопротивления движению поезда W – это равнодействующая
всех сил, реально действующих на поезд и направленных
навстречу движению. На преодоление равнодействующей силы
сопротивления движению W затрачивается из ТС такая же энергия,
как и на преодоление всех реально действующих на поезд сил. W –
это эквивалент по работе, затраченной поездом на преодоление
всех сил сопротивления движению.
Действующая на поезд сила в режиме тяги равна:
Fд  F  W
(2.2)
15
Режим выбега – движение с отключенным ТЭД (F=0). В этом
случае движение происходит за счет кинетической энергии,
накопленной поездом в режиме тяги (при разгоне) и носит в общем
случае замедленный характер. Действующая на поезд сила равна
силе сопротивления движению
Fд  W
(2.3)
Режим торможения – на поезд действует сила сопротивления
движению W и тормозная сила B, направленная всегда против
движения поезда, следовательно
Fд  B  W 
(2.4)
Тормозная сила (B) при электрическом ее происхождении
создается тяговыми двигателями, обращенными в генераторный
режим, а при механической природе, тормозная сила создается
тормозными устройствами поезда.
Характер движения поезда определяется величиной и
направлением действующей силы Fд.
Если Fд>0, скорость ЭПС возрастает V>0 и dV dt  0
Если Fд<0, скорость ЭПС уменьшается V>0 и
dV
dt
0
Если Fд=0, что соответствует равномерному движению поезда
с установившейся скоростью V=Vу, либо состоянию покоя V=0
16