ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ЗА СЧЁТ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМИ НАГРУЗКАМИ

IMPROVING THE ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRIC RAILWAY TRANSPORT THROUGH REGENERATIVE BRAKING AND INTELLIGENT CONTROL OF TRACTION LOADS

Paterikin Kirill Romanovich

Student, Department of Wagons and Wagon Facilities Rostov State Transport University,

Russia, Rostov‑on‑Don

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены способы снижения расхода электроэнергии на электрическом железнодорожном транспорте. Основное внимание уделено рекуперативному торможению и управлению тяговыми нагрузками с учетом графика движения поездов, профиля пути и режима работы системы тягового электроснабжения. Рекуперация позволяет вернуть часть энергии торможения в контактную сеть. Но ее эффект зависит не только от локомотива. Важны уклон пути, масса поезда, наличие рядом других поездов, потери в сети и реактивное электропотребление. По данным моделирования, на горных участках рекуперация дает заметный энергетический эффект, но может увеличивать потери в тяговой сети и снижать напряжение на токоприемниках. Поэтому простой установки оборудования недостаточно. Нужна согласованная работа электроподвижного состава, тяговых подстанций и систем управления движением. Интеллектуальное управление тяговыми нагрузками помогает использовать энергию рекуперации ближе к месту ее появления, снижать пики потребления и поддерживать допустимые режимы напряжения.

ABSTRACT

The article examines methods for reducing electricity consumption in electric railway transport. The main focus is on regenerative braking and traction load management, taking into account the train schedule, track profile, and operating mode of the traction power supply system. Regeneration makes it possible to return part of the braking energy to the contact network. However, its effectiveness depends not only on the locomotive. Other important factors include the track gradient, the train’s mass, the presence of other trains nearby, network losses, and reactive power consumption. According to modeling data, in mountainous areas, regenerative braking provides a noticeable energy effect, but it may increase losses in the traction network and reduce the voltage at the pantographs. Therefore, simply installing the equipment is not enough. Coordinated operation of the electric rolling stock, traction substations, and traffic control systems is required. Intelligent control of traction loads helps to use regenerative energy closer to the point where it is generated, reduce consumption peaks, and maintain permissible voltage levels.

Ключевые слова: электрический железнодорожный транспорт, рекуперативное торможение, энергоэффективность, тяговая нагрузка, система тягового электроснабжения, управление движением, реактивная мощность.

Keywords: electric railway transport, regenerative braking, energy efficiency, traction load, traction power supply system, traffic control, reactive power.

Электрический железнодорожный транспорт потребляет большие объемы энергии. Это связано с массой поездов, высокой интенсивностью движения и сложным профилем пути. Особенно заметны затраты на участках с подъемами и спусками. При движении на подъем поезд расходует энергию на преодоление силы тяжести. При движении под уклон часть этой энергии можно вернуть в сеть с помощью рекуперативного торможения. Такой режим переводит тяговые двигатели в генераторный режим. Полученная энергия поступает в контактную сеть и может быть использована другими поездами или передана через систему электроснабжения [1, c. 146].

На практике рекуперация не всегда дает одинаковый результат. Если рядом нет потребителей, часть энергии не используется полезно. Если сеть работает в сложном режиме, растут потери и реактивное электропотребление. В исследовании Булатова и соавторов показано, что рекуперативное торможение на железных дорогах переменного тока может давать значительную экономию, но одновременно влияет на напряжение, токи фидеров, потери в контактной сети и питание устройств автоблокировки. Поэтому энергоэффективность нельзя оценивать только по величине возвращенной энергии. Нужно смотреть на весь режим тягового электроснабжения.

Рекуперативное торможение особенно полезно на участках с длительными отрицательными уклонами. При движении под уклон потенциальная энергия поезда превращается в электрическую. Чем больше масса состава и перепад высот, тем больше запас энергии, который можно использовать. В исходном исследовании для оценки этой энергии применяется зависимость от массы электровозов, массы состава, ускорения свободного падения и перепада высот. Это простая физическая основа процесса. Но между запасенной потенциальной энергией и реально полезной энергией есть разница. Часть энергии теряется в преобразователях, контактной сети, трансформаторах и других элементах системы.

Для оценки полезного эффекта вводится показатель эффективности рекуперации. Он показывает, какая часть потенциальной энергии реально используется в процессе торможения. По результатам расчетов для средних и тяжелых поездов этот показатель слабо зависит от массы состава. При массе поезда выше 2500 т он почти стабилизируется. Для скорости около 60 км/ч его значение находится примерно на уровне 6,1 или 6,2 м/с², а для скорости около 35 км/ч около 5,8 м/с². Это значит, что при тяжелых поездах главный фактор уже не масса, а профиль пути и режим сети.

Сильнее всего на эффективность влияет уклон. При уклонах меньше 10 тысячных эффект снижается. При уклонах меньше 3 тысячных рекуперация почти не дает заметной отдачи. Поэтому при планировании энергосберегающих мер нужно выделять участки, где рекуперация действительно оправдана. Это прежде всего перевальные и горные участки, где есть длинные спуски. На равнинных участках эффект может быть ниже, хотя при плотном движении и современном подвижном составе польза все равно возможна [2, c. 67].

Главное условие полезной рекуперации состоит в наличии потребителя энергии. Если один поезд тормозит, а другой в это время разгоняется или идет на подъем в той же зоне электроснабжения, энергия может быть использована почти сразу. Это хороший режим. Но если потребителя нет, энергия возвращается в сеть менее эффективно. Возникают потоки мощности через тяговые подстанции, растут потери, усложняются расчеты между железной дорогой и энергоснабжающей организацией.

Рекуперативное торможение может привести к росту потерь активной энергии в тяговой сети. Для участка с контактной подвеской М120 плюс 2МФ100 доля потерь при рекуперации возрастала в несколько раз. Это важный результат. Он не отменяет пользу рекуперации, но показывает предел простого подхода. Нельзя считать, что вся возвращенная энергия автоматически равна экономии. Нужно учитывать, где она возникла, куда пошла и какие потери появились по пути.

Еще одна проблема связана с реактивной мощностью. В режиме рекуперации на железных дорогах переменного тока может резко увеличиваться реактивное электропотребление. Наличие рекуперации меняет направление потоков активной энергии на тяговых подстанциях и может почти в два раза увеличить реактивное электропотребление. Это влияет на напряжение в контактной сети и на работу оборудования. При большой реактивной нагрузке напряжение на токоприемнике снижается. В одном из расчетных режимов для пакета из трех поездов массой 6000 т напряжение снижалось почти до 23 кВ [3, c. 121].

Интеллектуальное управление тяговыми нагрузками нужно для того, чтобы рекуперация работала не случайно, а согласованно с движением поездов и состоянием сети. Система управления должна учитывать профиль пути, массу составов, график движения, положение поездов, текущие напряжения, токи фидеров и доступность приемников энергии. Ее задача не только вернуть энергию в контактную сеть. Важно сделать так, чтобы эта энергия была использована с минимальными потерями и без ухудшения качества электроснабжения.

Практически это означает согласование режимов тяги и торможения соседних поездов. Если поезд идет под уклон и может отдавать энергию, система управления движением может по возможности сблизить этот режим с потреблением другого поезда. Например, поезд на соседнем плече питания может в это время разгоняться или преодолевать подъем. Тогда энергия торможения не проходит лишний путь через сеть и подстанции. Это снижает потери и уменьшает нагрузку на внешнюю энергосистему.

Такое управление нельзя строить только на расписании. Реальное движение меняется из-за задержек, ограничений скорости и погодных условий. Поэтому нужны алгоритмы, которые работают с текущими данными. Они могут рассчитывать прогноз тяговых нагрузок на ближайшие минуты и выбирать более выгодные режимы ведения поезда. Машинист или автоматическая система получают рекомендации по скорости и тяге [4, c. 89]. При этом график движения должен сохраняться. Экономия энергии не должна ухудшать безопасность или снижать пропускную способность линии.

Для оценки таких режимов нужны расчетные модели. Стоит использовать программный комплекс Fazonord, который позволяет моделировать системы тягового электроснабжения в фазных координатах. Такой подход важен, потому что тяговая сеть является сложной многопроводной системой. В ней есть контактная подвеска, рельсы, питающие линии, трансформаторы, фидеры и внешняя сеть. Между элементами есть электромагнитные связи. Простые расчеты по средним значениям не дают полной картины [5, c. 21].

Моделирование позволяет получать мгновенные схемы по графику движения поездов, рассчитывать токи и напряжения на основной частоте, оценивать высшие гармоники и видеть распределение потоков мощности. Это дает основу для выбора мест, где рекуперация наиболее полезна. Такие расчеты также помогают определить, где нужны устройства компенсации реактивной мощности, усиление сети или изменение графика движения. С моделированием видно, какие меры дают реальную экономию, а какие просто переносят потери в другую часть системы.

Повышение энергоэффективности электрического транспорта требует нескольких согласованных мер. Первая мера состоит в использовании современного подвижного состава с автоматическим переходом в режим рекуперации. Вторая мера связана с управлением графиком движения. Чем лучше совпадают режимы торможения и тяги разных поездов, тем выше доля полезно использованной энергии. Третья мера состоит в компенсации реактивной мощности. Она нужна там, где рекуперация вызывает заметное снижение напряжения и рост реактивного потребления.

Интеллектуальная система управления может объединить эти меры. Она получает данные от поездов, тяговых подстанций и устройств учета. Затем оценивает ближайший режим сети и выбирает действия. Это может быть рекомендация по скорости, ограничение тягового тока, включение компенсации реактивной мощности или команда накопителю на заряд.

Рекуперативное торможение является важным способом повышения энергоэффективности электрического железнодорожного транспорта. На участках с большими отрицательными уклонами оно позволяет вернуть в сеть значительную часть энергии, которая раньше терялась в тормозных устройствах. Но реальная экономия зависит от условий движения и режима системы тягового электроснабжения. При слабом согласовании поездов часть энергии используется неэффективно. Возможен рост потерь, увеличение реактивного электропотребления и снижение напряжения на токоприемниках [6, c. 145].

Поэтому лучший результат дает комплексный подход. Рекуперация должна сочетаться с интеллектуальным управлением тяговыми нагрузками, расчетом графика движения, прогнозом потребления, компенсацией реактивной мощности и моделированием режимов сети. Такая система помогает использовать энергию торможения там, где она нужна в данный момент. Она снижает пики нагрузки и поддерживает устойчивый режим электроснабжения. В итоге энергоэффективность растет не за счет одного устройства, а за счет согласованной работы поезда, сети и управления движением.

Список литературы:

1. Карташов Э.М., Кудинов В.А., Калашников В.В. Теория тепломассопереноса: решение задач для многослойных конструкций. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во «Юрайт», 2022. 435 с.
2. Карташов Э.М. Теплопроводность при переменном коэффициенте теплообмена // Теплофизика высоких температур. 2023. Т. 57. Вып. 5. С. 694-701.
3. Видин Ю.В., Федяев А.А., Казаков Р.В. Инженерные методы расчета задач теплообмена при ламинарном течении жидкости в каналах: моногр. Братск: Изд-во БрГУ, 2020. 307 с.
4. Видин Ю.В., Злобин В.С., Иванов В.В., Медведев Г.Г. Инженерные методы расчета задач нелинейного теплообмена при ламинарном течении жидкости в каналах. Красноярск: СФУ, 2025. 155 с.
5. Видин Ю.В., Иванов В.В., Казаков Р.В. Инженерные методы расчета задач теплообмена. Красноярск: СФУ, 2024. 167 с.
6. Федяев А.А. Особенности структуры пограничных слоев канальных течений // Тр. Братского гос. ун-та. Сер. Естественные и инженерные науки: в 2 т. Братск, 2023. Т. 2. С. 166-170.