ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕКУПЕРАЦИИ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Рекуперативное торможение характеризуется возвращением части затраченной электроэнергии для её повторного использования. Рекуперацией называют вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.  Процессы рекуперации играют большую роль в обеспечении надёжности движения поездов на линиях с горным профилем, а также для эффективного использования высокоскоростного подвижного состава.

Большая часть грузовых электровозов серий ВЛ11, 2ЭС6 и 2ЭС10 российской железной дороги, по замечанию руководителей холдинга, практически полностью оборудованы системой рекуперативного торможения. Однако, схема рекуперации используется не в полной мере [3]. Тому есть несколько причин, среди которой выделяют следующие проблемы:

• большое количество полуторасекционных электровозов ВЛ11 с ненастроенной схемой, оборудованных системой САУРТ-034;
• неприменение схем рекуперации даже при наличии подготовленных электровозах серии ВЛ11 по причине срабатывания защиты высоковольтных цепей моторного режима, а также неисправности в низковольтных электрических цепях.

Еще специалисты [2, с.147-158] на протяжении последних двадцати лет выделяют проблемы применения рекуперации на отечественных электровозах переменного тока:

• низкая мощность электровоза и низкий коэффициент полезного действия инвертора;
• низкое качество электроэнергии, возвращаемой в контактную сеть.

В качестве причин специалисты назвали принятый алгоритм управления инвертором. Этот алгоритм состоит из поочередной коммутации плеч тиристоров ВИП и наличие значительного угла запаса.

При этом, о необходимости использования схем рекуперации говорят на самых разных уровнях, в том числе имеют место публикации в научной литературе. Интересен зарубежный опыт использования энергии рекуперативного торможения на электрифицированных участках железных дорог: специалисты отмечают высокую степень эффективности, например, в Великобритании доля возврата энергии рекуперации в контактную сеть составляет 7,2 % от расхода энергии по тяговым подстанциям, а в систему внешнего электроснабжения возвращается около 1,7 %, в Испании размер этого возврата составляет 1,9%, примерно те же объемы характерны для железных дорог Швеции.

Следует отметить, что научные публикации сложны для восприятия, перегружены сложными схемами и расчетами, а для начала необходимо разобраться в самом эффекте рекуперации и воспринять необходимость использования различных технических нововведений, которые будут способствовать повышению эффективности российских железных дорог.

Имеет смысл рассматривать не только техническую сторону вопроса, но говорить об эффективности этого процесса. Только понимая значения и отмечая количественное значение экономии энергии, можно предполагать использование процесса рекуперации на практике. Как отметили специалисты, преимущество рекуперативного торможения перед другими видами электриче­ского торможения состоит в значительной (до 20%) экономии электрической энергии, возвращаемой тормозящим электровозом в контактную сеть, в повышении безопасности движения тяжелых грузовых поездов на участках со сложным профилем пути [4, с.346-355].

Техническую скорость поезда и пропускную способность железной дороги повышают жесткие тормозные характеристики электровоза при рекуперативном торможении. В качестве преимущества электрической тяги специалисты выделили возврат электрической энергия в контактную сеть, что приводит к повторному использованию этой энергии другими электровозами на одном участке и работающим в режиме тяги.

Для того, чтобы эти процессы протекали, электровоз должен быть оборудован устройствами рекуперативного торможения. К таким устройствам относят ВЛ85, ВЛ80Р и ВЛ65. Такие оснащенные электровозы в целом на тягу поезда расходуют примерно 1,5 млрд. кВт ч электроэнергии в год, а рекуперация позволяет экономить эту энергию в значительном объеме - каждый процент сэкономленной энергии в год составляет 15 млн. кВт-ч. [6, с.192]

При ежегодном росте объёмов энергии, рекуперируемой подвижным составом, особую актуальность приобретает оценка использования такой энергии.

Сергей Геннадьевич Шрамко рассматривает повышение энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и предлагает решение повышения эффективности энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и снижение расхода песка [6, с.193].

Российские железные дороги электрифицированы на переменном токе, а  эксплуатируемые электровозы оборудуются полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15% - выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием (рисунок 1).

Рисунок 1. Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП)

Повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения – это перспективное направление для повышения энергетических показателей электровозов с ВИП. В настоящее время этот показатель на 25-30% ниже, чем в тяговом режиме Км = 0,84, а в режиме рекуперативного торможения Км от 0,45 до 0,65.

Использование энергии рекуперации на практике затруднено отсутствием простых и доступных методик оценки этой эффективности. Группа авторов предприняла попытку разработки методики по оценке этой эффективности [5, с.34-45].

Для определения меры эффективности и направлений использования энергии рекуперации специалисты предлагают оценить:

• абсолютное значение полезного использования энергии рекуперации, выработанной ЭПС;
• относительную величину полезного использования энергии рекуперации (в процентах) от абсолютного её значения по показаниям счётчиков рекуперации электроподвижного состава (ЭПС).

Эффективное использование энергии рекуперации начинается с её потребления на собственные нужды рекуперирующего электроподвижного состава. Составляющие использования энергии рекуперации на участках постоянного тока, определяемые по методике, можно проиллюстрировать в виде блок-схемы (рисунок 2) .

Рисунок 2. Схема составляющих использования энергии рекуперации на участках постоянного тока

Составляющие эффективного использования энергии рекуперации на участках переменного тока можно проиллюстрировать в виде блок-схемы, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема составляющих использования энергии рекуперации на участках переменного тока

Специалисты, включили в предлагаемую методику[5, с.34-45] указанные схемы. Выполненные исследования и разработанная в результате методика, предлагаемая авторами, позволяет оценить меру эффективности использования энергии рекуперации на отдельных участках железных дорог и полигоне в целом .

Методология оценки эффективности включает принцип, основанный на получении значений пяти коэффициентов, определяющих эффективность использования энергии рекуперации и подчёркивающих уникальность авторской методики . Методика помогает аналитическим путём, без затрат на оснащение участков дополнительной измерительной техникой выполнять оценку влияния на эффективность использования энергии рекуперации режимов работы системы торможения электровоза, организации движения поездов, деятельности подразделений локомотивного хозяйства с целью интенсификации применения рекуперативного торможения .

Список литературы:

1. Федеральный закон № 261 от 23.11.2009 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». СПС Консультант плюс [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www. consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978/. (Дата обращения: 07.11.2019);
2. Власьевский С.В., Кравчук В.В. Эффективность и проблемы применения рекуперативного торможения на электровозах переменного тока // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2005. № 2 (49). С. 147-158;
3. Официальный сайт РЖД [Электронный ресурс] Режим доступа: rzd.ru (Дата обращеняи 19.11.2019);
4. Томилов В.С.,Баринов И.А., Мельниченко О.В., Шрамко Ш.Г., Линьков А.О. Совершенствование силовой цепи электровоза переменного токав режиме рекуперативного торможения // Вестник Иркутского государственного технического университета / 2019. - Т. 23. - № 2 (145). – с.. 346-355;
5. Черемисин В.Т., Никифоров М.М., Вильгельм А.С. Методика оценки использования энергии рекуперации // 2018 - №16(1) – с.34-45;
6. Шрамко С. Г. Повышение эффективности эксплуатации электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения // Вестник Иркутского государственного технического университета/ 2016 - № 4(111) – с.192-199.