[10-2022] Оценка энергетической эффективности электровозов переменного тока с асинхронным и коллекторным тяговыми приводами
 

Оценка энергетической эффективности электровозов переменного тока с асинхронным и коллекторным тяговыми приводами

И.Б. ДОГАДИН, заместитель начальника отдела,
П.В. КАШИН, ведущий инженер, Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства — филиал ОАО «РЖД»

В статье «Оценка энергетической эффективности локомотивов методом сравнения», опубликованной в журнале «Локомотив» № 1 за 2021 г., была рассмотрена методика проведения сравнительных испытаний тепловозов на примере неэлектрифицированного участка БАМа (от станции Таксимо Восточно-Сибирской до станции Ванино Дальневосточной дороги), с тепловозами серии ЗТЭ25К2М Брянского тепловозостроительного завода, поступившими для замены в эксплуатации локомотивов 2(3)ТЭ10. В продолжение темы, в данной статье рассмотрены особенности проведения сравнительных испытаний инновационного электровоза с асинхронным тяговым приводом и электровозов, эксплуатируемых в настоящее время серий.

При вводе в эксплуатацию новой техники всегда остро стоит вопрос ее энергоэффективности, которую необходимо определить, так как технику с низкой энергоэффективностью, даже если она и инновационная, нерентабельно закупать и эксплуатировать. Кроме того, для принятия окончательного решения об использовании инновационной техники на том или ином полигоне железных дорог необходимо применить метод сравнения характеристик и показателей базовых (эксплуатируемых) серий локомотивов и нового локомотива в сопоставимых условиях. Осуществить это можно путем проведения сравнительных испытаний.
Для получения объективных результатов испытаний необходимо определить методику оценки новых локомотивов в условиях реальной эксплуатации. Основной идеей методики является создание максимально одинаковых условий при проведении испытаний, реализация которых необходима для анализа эксплуатационных показателей и разработки технико-экономического обоснования применения электровозов нового поколения на всем протяжении Транссибирской магистрали с последующим расширением участков эксплуатации на другие полигоны ОАО «РЖД».
На практике, в условиях реальной эксплуатации, создание максимально одинаковых условий проведения испытаний всегда проблематично, и для того чтобы выполнить поставленную задачу, необходимо выделить основные показатели и реализовать их при проведении опытных поездок с каждым экспериментальным (сравниваемым) локомотивом.
Такими показателями являются:

• масса опытных поездов, которая должна иметь минимальное отклонение от заданной величины;
• одинаковые род груза, тип и количество вагонов опытных поездов;
• идентичный режим пропуска опытных поездов по участку проведения испытаний;
• ведение каждого опытного поезда в одинаковых режимах тяги и торможения;
• схожие погодные условия при проведении опытных поездок.

Для реализации перечисленных показателей и выполнения поставленной задачи на основании требования нормативных документов, применяемых в ОАО «РЖД», разрабатываются программа и методика проведения испытаний, которые включают в себя:

• схему формирования экспериментальных поездов;
• участок испытаний;
• заданные серии экспериментальных (сравниваемых) электровозов;
• заданную массу опытного поезда;
• условия пропуска опытных поездов по участку.

В идеале стоит проводить весь цикл испытаний с одним и тем же составом опытного поезда. Однако на практике в условиях реальной эксплуатации это не всегда выполнимо, поэтому отклонение массы поезда от заданного программой испытаний допускается не более +30 т при однородном грузе и типе вагонов в составе поезда.
Создание одинаковых условий пропуска по заданному участку достигается выделением специально разработанной суточной «нитки» графика. Для выполнения одинаковых режимов движения используются режимные карты, разработанные специально для проведения испытаний. За основу таких карт (в части соблюдения одинаковых перегонных времен хода и скоростного режима на всем участке проведения испытаний) берутся существующие режимные карты, разработанные для эксплуатируемых серий электровозов с поездами заданной массы, с которыми проводятся сравнительные испытания. Что касается погодных условий, то проводить такие испытания рекомендуется при схожих погодных условиях, желательно — неблагоприятных. Это позволяет максимально объективно оценить тяговые свойства инновационных локомотивов.
Рассмотрим конкретный пример. Сравнительные испытания с электровозами на Восточном полигоне проведены в феврале — апреле 2021 г. на основании соответствующих организационнораспорядительных документов и требований разработанной программы и методики, утвержденной заместителем генерального директора ОАО «РЖД» О.С. Валинским.
Объектами испытаний являлись:

• инновационный электровоз ЗЭС5С (двухсекционное исполнение) с асинхронным тяговым приводом (см. фото на обложке);
• электровоз ЗЭС5К с потележечным регулированием силы тяги.

Технические характеристики опытных электровозов приведены в таблице.
Перед началом сравнительных испытаний, как и перед тяговоэнергетическими испытаниями, выполнены тяговые расчеты. Они нужны для теоретической оценки возможности вождения инновационным локомотивом поездов той же массы, что и локомотивами эксплуатируемого парка. Поскольку для последних критическая масса поезда на участке испытаний, как правило, ранее установлена действующими нормативными документами, тяговые расчеты выполнены только для инновационного локомотива на основании его тяговой и пусковой характеристик, приведенной в руководстве по эксплуатации.
Результатами тяговых расчетов теоретически подтверждена возможность вождения грузовых поездов инновационным локомотивом (ЗЭС5С в двухсекционном исполнении) той же массы, что и трехсекционными электровозами ЗЭС5К с потележечным регулированием силы тяги.
Здесь стоит обратить внимание на один немаловажный аспект сравнительных испытаний — количество тяговых секций инновационного и серийного электровозов, которые планируется использовать в опытных поездках, отличается. Инновационный локомотив оснащен асинхронными тяговыми электродвигателями (ТЭД) большей мощности в сравнении с локомотивами существующих серий, что выражается сопоставимостью мощностей двух секций ЗЭС5С и трех секций ЗЭС5К (см. таблицу).

Испытания проводились на участке Тайшет — Иркутск-Сорти-ровочный Восточно-Сибирской дороги с грузовыми поездами массой 6300 т в четном («груженом») направлении и 1800 т в нечетном («порожнем») направлении. Основные данные в процессе испытаний снимались с бортовых систем опытных локомотивов и счетчиков электрической энергии, установленных на локомотивах.
Для выполнения требования сопоставимости условий в период испытаний проведено 84 грузовых поезда по участкам обслуживания локомотивными бригадами, из которых только 24 приняты для итогового сравнения (12 в четном направлении и 12 в нечетном).
В процессе проведения испытаний фиксировались следующие показатели работы испытываемых локомотивов:

• пройденное расстояние, км;
• масса опытного поезда, т;
• количество осей состава опытного поезда, штук;
• количество вагонов в опытном поезде, условных и фактических;
• время отправления опытного поезда с начальной станции, час: мин;
• время прибытия опытного поезда на конечную станцию, час: мин;
• общее время в пути следования с учетом стоянок на станциях и перегонах, час: мин;
• участковая и техническая скорости, км/ч;
• показания счетчиков «тяга» при отправлении с начальной станции и по прибытию на конечную;
• показания счетчиков «рекуперация» при отправлении с начальной и по прибытию на конечную станцию.

На основании полученных данных учитывались следующие показатели, определяющие энергетическую эффективность инновационного локомотива:

• выполненная работа, 104 т-км брутто;
• фактический расход электроэнергии отдельно по секциям и в целом на локомотив, кВт-ч;
• фактический возврат электроэнергии в тяговую сеть при рекуперации отдельно по секциям локомотива и в целом на локомотив, кВт-ч;
• фактический расход электроэнергии локомотивом с учетом возврата в тяговую сеть при рекуперации, кВт-ч;
• удельный расход электроэнергии на участке проведения испытаний, кВт-ч/104 т-км брутто;
• удельный возврат электроэнергии на участке проведения испытаний, кВт-ч/104 т-км брутто.

Ключевым показателем, определяющим вектор результатов проведенной работы, является эффективное использование электроэнергии тяговым подвижным составом — энергоэффективность. Данный показатель определялся разностью удельного расхода электроэнергии на тягу поезда и удельным возвратом электроэнергии в контактную сеть при электрическом торможении.
Испытания показали, что энергоэффективность электровоза ЗЭС5С (в двухсекционном исполнении) заметно лучше энергоэффективности электровоза эксплуатируемой серии, а именно — суммарный удельный расход электроэнергии меньше (см. рисунок).
При этом в четном (груженом) направлении участка испытаний энергоэффективность инновационного электровоза достигалась путем повышенного возврата электрической энергии от применения рекуперативного торможения, а в нечетном (преимущественно порожнем) — благодаря применению оптимального алгоритма управления тяговым приводом, предусмотренного конструкцией локомотива, который позволяет выводить из режима «тяги» часть тяговых электродвигателей при вождении порожних поездов и поездов небольшой массы.
Проведенные испытания позволили выявить ряд недостатков в алгоритме управления тяговым приводом асинхронного локомотива, устранение которых позволило водить грузовые поезда электровозом ЗЭС5С в двухсекционном варианте критической массой, установленной на участке испытаний для серийных, трехсекционных электровозов ЗЭС5К с потележечным регулированием силы тяги.
Результаты, полученные в ходе сравнительных испытаний, являются составляющей частью технико-экономического обоснования целесообразности внедрения локомотивов с асинхронным приводом на сети железных дорог ОАО «РЖД».