Использование энергии рекуперативного торможения в системе отопления пассажирских вагонов

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе как в России, так и в мире широко применяется рекуперативное торможение (рекуперация). Рекуперация имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как повышение энергоэффективности перевозок, электрическая и механическая устойчивость, что удобно для поддержания постоянной скорости на спусках, снижение расхода тормозных колодок и износа бандажей электрического подвижного состава (ЭПС). Современный подвижной состав с асинхронными тяговыми электродвигателями (ТЭД) позволяет производить рекуперативное торможение до низких скоростей. Однако применение рекуперации на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе имеет ряд особенностей, связанных с использованием вырабатываемой тяговыми электродвигателями (ТЭД) энергии. Вопросы полезного использования энергии рекуперации рассмотрены в настоящей статье.

1. Возврат энергии при рекуперативном торможении. Чтобы проанализировать количественно возврат энергии в сеть, необходимо иметь статистические данные о возврате электроэнергии в сеть в результате рекуперативного торможения. К сожалению, ОАО «РЖД» не раскрывает подобную статистику, однако среднее значение возврата энергии по отношению к потребленной на тягу, можно рассчитать по данным Федеральной службы государственной статистики «Росстат» и материалам из открытых источников [1, 2] и аналогичных. Год к году возврат энергии от применения рекуперации увеличивается (Рис.1), при этом сама оценка энергоэффективности выполняется как Российскими, так и международными организациями [3].

 

Рис. 1. Возврат энергии в контактную сеть на ж.д. транспорте РФ

 

Это связано, прежде всего, с внедрением современных электровозов переменного тока, в том числе с асинхронными тяговыми двигателями (на рисунке отмечен только выпуск массовых серий электровозов). Однако резервы далеко не исчерпаны – в мире имеются примеры возврата до 15 % и более энергии.

2. Особенности применения рекуперативного торможения на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе. К сожалению, применение рекуперативного торможения на постоянном токе требует наличия потребителя на участке секции контактной сети, либо инверторных преобразователей на тяговых подстанциях. Регулировочные торможения имеют небольшую продолжительность, часто менее 1 минуты, в течение которой ТЭД вырабатывают значительную мощность, сопоставимую с часовой мощностью электровоза или электропоезда и доходящую до 6–7 тыс. кВт. Все чаще рекуперативное торможение применяется на пассажирских электровозах. Пример – двухсистемный электровоз ЭП20, работающий на постоянном токе [4, 5]. На участке с интенсивным движением поездов принять эту мощность не составляет труда – с большой вероятностью на участке находится поезд, работающий в режиме тяги. Такая ситуация характерна для МЦК, пригородных участков Москвы. Однако на участках с менее интенсивным движением рост напряжения на токоприемнике не приводит к росту тока ТЭД, так как подстанции с диодными выпрямителями не могут осуществить передачу энергии в энергосистему. При этом на ЭПС с рекуперацией происходит отключение торможения или переход на реостатное (ступенчатый или плавный, в зависимости от типа ЭПС). В любом случае, в этой ситуации использование энергии торможения становится невозможным. В литературе имеется описание большого количества систем, предназначенных для повышения эффективности рекуперации на участках постоянного тока с небольшим объемом движения. К ним относятся:

• установка инверторов на тяговых подстанциях;
• создание электрического соединения с соседними секциями контактной сети;
• использование энергии рекуперации для питания вспомогательных машин и систем электровозов;
• Установка накопителей энергии на ЭПС (гибридизация).

 Установка инверторов на тяговых подстанциях является крайне затратным мероприятием, она выполняется только на подстанциях, расположенных на участках с затяжными спусками, на которых рекуперация осуществляется постоянно и отдача энергии значительная.

Электрическое соединение на постах секционирования возможно, однако мощность передачи на больших плечах в системе 3 кВ сильно ограничена.

 Оборудование подвижного состава накопителями энергии позволяет применять рекуперацию независимо от наличия потребителя в контактной сети, однако это увеличивает массу ЭПС и некоторых случаях может не повысить, а снизить энергетическую эффективность. Поэтому гибридизация с установкой накопителей применяется только в тех случаях, когда необходимо придать ЭПС какие-либо новые свойства, например автономный ход [6].

Использование энергии рекуперации для вспомогательных нужд на самом локомотиве возможно, однако вспомогательные потребители имеют небольшую мощность и не играют решающей роли в потреблении энергии рекуперации.

3. Использование энергии рекуперативного торможения для отопления. Энергию торможения вполне можно использовать для работы климатических установок электропоездов и пассажирских вагонов, имеющих мощность, сопоставимую с мощностью ТЭД электровозов и электропоездов, необходимо только синхронизировать их с процессом торможения, что вполне возможно реализовать с использованием современных технологий передачи информации. Идея использования системы отопления как нагрузки ТЭД при электрическом торможении не нова и применяется на некоторых типах троллейбусов и трамваев, но при реостатном торможении. В то же время современные нагреватели плохо подходят в качестве тормозных резисторов, так как рассчитаны на питание постоянным по величине напряжением, а использование штатных тормозных резисторов в качестве нагревателей не может обеспечить стабильный нагрев воздуха, вследствие чего такие системы не получили широкого распространения.

Большинство современных видов пассажирского подвижного состава имеют мощные системы электрического отопления, питающиеся от контактной сети. Пассажирские вагоны локомотивной тяги выпускаются с автономной, смешенной и централизованной высоковольтной системами электроснабжения, причем чаще используются две последние. При смешанной системе электроснабжения питание низковольтных потребителей (освещение, вентиляция, кипятильник, насосы, туалеты с управлением, иногда кондиционер и вспомогательное отопление) осуществляется от подвагонного генератора и аккумуляторной батареи по двухпроводной схеме с напряжением 52 В или 110 В постоянного тока [7–9]. Основное электрическое отопление получает питание от локомотива (электровоза или оборудованного дополнительным генератором тепловоза) по однопроводной высоковольтной подвагонной магистрали с напряжением 3 кВ как на участках как постоянного, так и переменного тока (Рис. 2).

 

Рис. 2. Упрощенная схема высоковольтного отопления пассажирского поезда на участке постоянного тока: 1 – контактная сеть постоянного тока с напряжением 3000В; 2 – токоприемник электровоза; 3 – быстродействующий выключатель (БВ); 4 – токовое реле; 5 – контактор отопления; магистраль (однопроводная) с напряжением 3000В; 7 – контактор отопления на вагоне; 6 – нет; 8 – высоковольтные электронагреватели нагреватели системы отопления вагонаобщей мощностью 48 кВт

 

На вагонах имеется высоковольтная схема с контакторами, аппаратурой автоматики и защиты. Потребителями являются высоковольтные трубчатые электронагреватели (ТЭНы) общей мощностью 48 кВт. Наиболее часто применяется комбинированное отопление водяного типа, а ТЭНы служат для подогрева воды в котле (котел можно отапливать и углем). Сухотопочный тип системы отопления широко используется в вагонах электропоездов. Кроме описанных, в последние годы все шире стала применяться централизованная высоковольтная система отопления, при которой все энегоснабжение вагонов осуществляется от электровоза по подвагонной магистрали с использованием преобразователей, а подвагонные генераторы не устанавливаются. Так как при таком типе электроснабжения вагон может эксплуатироваться только на электрифицированных участках, котел выполняется с чисто электрическим подогревом, без топки для угля. Таким образом, пассажирский поезд нормальной составности при работающем отоплении (осенне-зимний период) всегда имеет потребители общей мощностью 800–960 кВт. На вагонах с централизованной высоковольтной системой энергоснабжения имеется также установка кондиционирования мощностью 22–30 кВт, получающая питание от магистрали с напряжением 3 кВ. Отопление вагонов работает в режиме повторно – кратковременного включения, продолжительность включения (ПВ) зависит от температуры наружного воздуха и может изменяться от 10 до 80 %. Как правило, в отопительном котле установлены термодатчики, не допускающие повышения температуры более 92 ⁰С, так как система комбинированного водяного отопления является открытой. При понижении температуры до 85 ⁰С ТЭНы повторно включаются. Это предотвращает закипание воды в котле. Емкость системы водяного отопления составляет 850–950 литров, в зависимости от конструкции вагона.

С точки зрения электротехники, схема электровоза в режиме рекуперации с работающей системой отопления поезда представляет собой схему постоянного тока, в которой имеется узел, соединяющий 4 ветви: ветвь ТЭД или ТЭД с преобразователями, работающих в режиме генераторов (источника); ветвь токоприемника, подключенная к контактной сети, ветвь тормозных резисторов с импульсным преобразователями и ветвь отопления вагонов (Рис. 3). Входящим является ток ТЭД, работающих в режиме генераторов, а исходящими – токи рекуперации в контактную сеть Iр.кс, тормозного резистора Iрт, и ток отопления Iо.

 

Рис. 3. Схема рекуперации: Е ТЭД – тяговые двигатели рекуперирующего электровоза; QF– БВ (или БК); ИП – импульсный преобразователь; Rт – тормозной резистор; Эн – нагреватели системы отопления вагонов; КМо – контактор отопления; ТЭД2 – тяговые электродвигатели какого-либо электровоза в режиме тяги на той же секции контактной сети

 

При наличии в контактной сети потребителя в виде электровоза 2 (ТЭД2) с мощностью, равной или большей, чем мощность рекуперации и неработающем отоплении вагонов ток рекуперации Iр.кс имеет максимальное возможное значение, определяемой заданной машинистом рекуперирующего электровоза тормозной силой. Если электровоз 2 прекратит работу в режиме тяги, включается в работу импульсный преобразователь ИП, регулирующий ток тормозного резистора Iрт таким образом, чтобы напряжение на токоприемнике ХА1 не превышало 3,9 кВ. При этом в контактную сеть отдается максимально возможная по условию наличия потребителя энергия. Если в этот момент включить отопление, то в узле возникнет дополнительный исходящий ток отопления I_о, что позволит на эту же величину уменьшить ток тормозного резистора, так как входящий в узел ток определяется реализуемой тормозной силой.

Если несколько (на 5–7 %) снизить температуру срабатывания термодатчиков (термореле) котла, то это никак не скажется на работе системы отопления, однако создаст резерв для использования энергии рекуперации, используя теплоемкость системы отопления. При этом защита от закипания воды в котле останется в работе. Таким образом, одновременно с режимом рекуперации от электровоза должен поступать сигнал о необходимости включения нагревателей системы отопления и циркуляционного насоса для лучшей теплопередачи. Вырабатываемая тяговыми двигателями энергия будет накапливаться в виде тепловой энергии, запасенной в системе водяного отопления. На современных электровозах, на которых при недостаточной нагрузке ток тормозных резисторов плавно увеличивается за счет работы импульсного преобразователя, эффект будет выражаться в виде уменьшения тока тормозных резисторов и увеличения тока высоковольтной подвагонной магистрали. При этом температура воды в котле повысится, и повторное включение отопления произойдет позже, что позволит уменьшить потребление энергии из контактной сети на отопление.

На вагонах с централизованной высоковольтной системой отопления можно также кратковременно увеличить интенсивность охлаждения, зарядный ток батареи, включить компрессор и другие потребители, позволяющие использовать энергию рекуперации. На современных вагонах в системе электрооборудования используется микропроцессорная система управления и диагностики (МСУД), поэтому вопрос изменения алгоритма работы контакторов решается ее простым перепрограммированием. Наиболее сложно обеспечить распознавание режима рекуперации, так как сигнал о её применении необходимо передать с электровоза (выявление повышения напряжения в подвагонной высоковольтной магистрали может говорить не только о применении рекуперации, но и просто о приближении поезда к тяговой подстанции).

Реализовать передачу сигнала от электровоза к вагонам можно с использованием технологической радиосвязи типа GSM-R [10, 11], однако не все участки оборудованы такой системой. Поэтому лучше использовать систему передачи данных PLC, используемую для передачи информации по проводам ЛЭП [12]. Некоторое увеличение потребления энергии на передачу информации в данном случае не имеет значения, так как данная энергия все равно была бы рассеяна в тормозных резисторах.

Главным достоинством такой системы является отсутствие существенных затрат на модернизацию системы отопления (меняется только алгоритм). Данная система в таком виде пригодна только для пассажирских электровозов с рекуперативным торможением на постоянном токе, количество которых невелико. Чтобы использовать энергию рекуперации грузовых электровозов, необходимо разработать алгоритм выявления рекуперативного торможения и систему для его реализации, устанавливаемую на пассажирских вагонах. На электропоездах с рекуперативным торможением использовать предложенный принцип еще проще – необходимо всегда включать отопление при рекуперации (в осенне-зимний период), что легко реализовать с помощью обычных релейных схем. При некоторых доработках систем торможения, принцип работы может использоваться и на пассажирских тепловозах, оборудованных высоковольтной подвагонной магистралью. Кроме того наличие канала связи PLC позволит решить и другие проблемы (например, обеспечение устойчивой связи между машинистом и начальником поезда на участках, не оборудованных радиосвязью, передачу телеметрической информации).

ВЫВОДЫ

1. Использование энергии рекуперации на постоянном токе затруднительно, так как связано с наличием потребителя в контактной сети.
2. В качестве дополнительного потребителя в контактной сети можно использовать систему отопления пассажирского поезда, необходимо только синхронизировать работу электронагревателей с рекуперативным торможением.
3. В качестве канала связи между электровозом и вагонами пассажирского поезда хорошие перспективы имеет система передачи данных PLC.

Об авторах

Андрей Альбертович Кузнецов

Омский государственный университет путей сообщения

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuznetsovaa.omgups@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1815-4679
SPIN-код: 5259-0531

доктор технических наук, профессор

Россия, Омск

Михаил Юльевич Изварин

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: misha3568723@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-5638-3867
SPIN-код: 7753-5243

кандидат технических наук, доцент

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы