Авторы: А.П. Карпухин, И.В. Андросов, В.Э. Демин, В.П. Степаненко
Источник: Карпухин А.П., Андросов И.В., Демин В.Э., Степаненко В.П. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ШАХТНЫХ И КАРЬЕРНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ // Материалы VII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум»
Энергоэффективность рудничных электровозов карьерных тяговых агрегатов не соответствует современным требованиям и в настоящее эта проблема еще далека от своего решения. Ускорить ее решение возможно различными путями: совершенствованием систем электропривода, электроснабжения, управления, внедрением комбинированных электровозов, современных накопителей электрической энергии, принудительным охлаждения тяговых двигателей, заменой тяговых коллекторных двигателей постоянного тока бесколлекторными двигателями переменного тока [1,2,3]. На подземном транспорте принудительное воздушное охлаждение по сравнению с естественным увеличивает мощность тяговых двигателей в часовом режиме на 29%, в длительном на 56%. Система дистанционного управления позволяет машинисту электровоза одному грузить вагонетки на погрузочных пунктах, что повышает эффективность транспорта. Для повышения энергоэффективности необходимо, в первую очередь, снизить потери энергии на буксование колес электровозов. Потери энергии на буксование колес особенно велики при движении на подъем груженых составов в траншеях карьеров, а на подземном транспорте в обводненных шахтах, добывающих коксующиеся угли.
Применение контактно-аккумуляторных электровозов позволяет снизить количество аккумуляторных батарей и отказаться от двухступенчатой схемы локомотивной откатки. Переоборудование аккумуляторного электровоза в контактно аккумуляторный может быть выполнено в условиях действующих горнодобывающих предприятий; затраты на переоборудование не превышают 10% стоимости переоборудуемого аккумуляторного электровоза
Энергоэффективность применении комбинированных электровозов по сравнению с аккумуляторными достигается за счет уменьшения числа зарядных столов и зарядных устройств, объёмов зарядных камер; сокращения почти вдвое числа аккумуляторных батарей и повышения в два раза срока их ресурса; экономии рабочего времени (около 0.5 ч в смену на электровоз) и затрат на обслуживание аккумуляторного хозяйства; увеличения коэффициента использования электровоза [1].
На электровозах применяются различные системы регулирования скорости вращения тяговых двигателей: реостатные и безреостатные, ступенчатые и плавные бесступенчатые. Результаты сравнения систем управления приведены в табл.1. Из анализа таблицы 1 следует, что внедрение тиристорно-транзисторных систем управления позволит увеличить мощность тяговых электродвигателей не менее, чем на 30- 50%.
| ПАРАМЕТРЫ | Реостатная | Ступенчатая | двигатели постоянного тока** | двигатели переменного тока *** |
|---|---|---|---|---|
| число ступеней скорости | до 7 | 6 | неограничено | неограниченно |
| число безреостатных ступеней | 2 | 5 | неограниченно | неограниченно |
| потери энергии, % | до 30 | до 10 | 8-10 | 8-10 |
| коэффициент Ки* | 0,5-0,6 | 0,5-0,6 | 0,95 | 0,95 |
| тип электрического тормоза | Реостатный | Реостатный | реостатный, рекуперативный | реостатный, рекуперативный |
* Ки - коэффициент использования сцепного веса ;
** широтно-импульсная система управления двигателями постоянного тока;
*** частотная система управления тягловыми КЗ асинхронными двигателями.
Наиболее перспективными для электровозов с тяговыми электродвигателями постоянного тока следует признать широтноимпульсные и частотно-импульсные системы управления, которые обеспечивают плавный пуск и торможение составов. При этом экономия электроэнергии может достигать 25-30%, повышение коэффициента использования сцепного веса - 40%.
Повышение энергоэффективности и модернизация рудничных электровозов может производиться заменой реостатных и ступенчатых систем управления на тиристорно-транзисторные, широтно-импульсные и частотные. Эти системы уменьшают потнри энергии на буксование колес, т.к. обеспечивают плавный пуск и торможение электровозов с коллекторными двигателями постоянного тока и бесколлекторными двигателями переменного тока - асинхронными и вентильным
Схема частотно-импульсного управления тяговыми электродвигателями постоянного тока является более простой и недорогой. Но при равной выходной мощности для нормальной работы частотно-импульсной схемы требуются дорогие и сложные электрические фильтры. По этим причинам частотно-импульсные схемы были вытеснены более дешевыми широтно-импульсными.
На аккумуляторных и контактно-аккумуляторных электровозах современные системы плавного управления тяговыми электродвигателями, как правило, работают надежно. На питающихся от контактных сетей электровозах возникают перенапряжения и броски тока тяговых электродвигателей при отскоках токоприемников от контактного провода по причине значительной индуктивности тяговых сетей (на контактной откатке до 5мГн/км). До настоящего времени в комплектацию рудничных контактных электровозов иногда не входят аккумуляторные батарей для питания цепей управления, что снижает надежность работы преобразователей, питающих тяговые двигатели, устройства управления, освещения, сигнализации, связи и другие потребители собственных нужд.
Одним из достоинств импульсных схем является возможность рекуперативного торможения вплоть до полной остановки электровоза. При этом возвращается в накопитель не только кинетическая энергия движущего поезда, но и электромагнитная энергия из индуктивностей обмоток тяговых двигателей и сглаживающих реакторов.
Для аккумулирования энергии торможения и снижения скачков тока размещать суперконденсаторы КДЭС можно на тяговых агрегатах, контактных, аккумуляторных и контактно-аккумуляторных электровозах, на тяговых подстанциях и пунктах секционирования контактных сетей. В системах электроснабжения КДЭС можно использовать не только для сглаживания пиковых токов, но и для стабилизации напряжения на удаленных участках контактных сетей на постоянном уровне, для снижения износа контактных проводов и уменьшения искрения на токоприемниках электровозов. Для рекуперации и передачи энергии в электрические сети накопители должны оборудоваться реверсивными преобразователями на IGBT транзисторах.
Повышение энергоээффективности электровозов и тяговых агрегатов для электрического транспорта на подземных и открытых горных работах возможно путем применения гибридных силовых установок [2,3]. В гибридных установках следует заменить тяговые щелочные никельжелезных аккумуляторы кислотно-свинцовым и суперконденсаторами КДЭС. В качестве ЭХН накопителей энергии можно использовать отечественные рудничные тяговые свинцово-кислотные панцирные аккумуляторы 7PzSL805 емкостью 805 А.ч и КДЭС. Технические характеристики конденсаторных накопителей для подземных и открытых работ приведены в таблице 2. Параметры накопителей выбраны с использованием суперконденсаторного модуля 10ЭК303 [3].
| Параметр | Подземный транспорт | Открытые работы |
|---|---|---|
| Тип | 20x103К303 | 120x103К303 |
| Рабочее напряжение, В | 275 | 1800-900 |
| Запасаемая энергия, МДж | 7,5 | 45,5 |
| Отдаваемая энергия, МДж | 6,2 | 37,0 |
| Максимальная мощность, МВт | 0,56 | 3,4 |
| Масса, кг | 660 | 4080 |
| Объем, м3 | 0,46 | 2,8 |
| Время разрядки, с | 64 | 60 |
| Время зарядки, мин | 15 - 40 | 15 - 40 |
| Величина саморазряда | до 0,3% в сутки | до 0,3% в сутки |
| Интервал рабочих температур | -50 … +70 °C | -50 … +70 °C |
| Срок службы | Свыше 15 лет | Свыше 15 лет |
| Изготовитель | ЗАО «Элтон», Россия, г. Троицк | ЗАО «Элтон», Россия, г. Троицк |
Для накопления электроэнергии в тормозных режимах, а также для питания тяговых электродвигателей при двух-трех кратных пиковых кратковременных перегрузках целесообразно применять электрохимические накопители энергии ЭХН -свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. При 5-7 кратных кратковременных пиковых перегрузках предпочтительнее пользоваться комбинированным накопителем, состоящим из суперконденсатора КДЭС и аккумуляторной батареи ЭХН.
Повысить энергоэффективность, снизить электроэнергию, потребляемую электровозами и тяговыми агрегатами. на 25-30% возможно при условии внедрения комбинированных ЭХН-КЭДС накопителей энергии и тиристорно-транзисторных систем плавного регулирования скорости.