Глава XIII. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДВИЖЕНИЕ ПОЕЗДА .
§ 42. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.
Электрифицированный транспорт — крупный потребитель электроэнергии. Поэтому даже незначительное снижение расхода энергии имеет существенное значение. Расход электроэнергии на 1 кн-км в зависимости от типа транспорта и профиля пути колеблется в очень широких пределах. Среднее значение удельного расхода в вт-ч/кн-км примерно следующее: троллейбус 12—20, трамвай 4—9; метрополитен 4—6 (удельный расход в вт-ч/т-км будет в 9,81 раза больше). Для отдельных маршрутов тяжелого профиля и некоторых типов подвижного состава может быть и больший удельный расход энергии. Высокий удельный расход энергии на троллейбусе связан с большим удельным сопротивлением. Повышенный удельный расход энергии на метрополитене в сравнении с пригородными железными дорогами объясняется более короткими перегонами и повышенным удельным сопротивлением движению в туннелях.
Величина отдельных составляющих расхода энергии зависит также от типа транспорта. Так, например, в условиях электрической тяги магистральных железных дорог основная часть энергии расходуется на преодоление сопротивления движению и на подтормаживание на вредных спусках и, следовательно, зависит главным образом от скорости движения и профиля пути. Потери в тормозах и пусковые потери из-за большого расстояния между остановками незначительны и составляют в среднем около 10—20% всего расхода энергии. На городском электрическом транспорте, для которого характерны короткие перегоны (300—500 м ), пусковые и тормозные потери, наоборот, очень значительны и составляют 60—80% общего расхода энергии, особенно при высокой скорости начала торможения и при отсутствии рекуперации. Наоборот, на длинных перегонах, особенно с тяжелым профилем, возрастает доля энергии, расходуемая на преодоление сопротивления движению.
Энергия, которую получает поезд из сети во время движения под током, частично расходуется на преодоление сопротивления, частично переходит в потенциальную энергию поезда (при подъемах) и частично превращается в кинетическую энергию. При рекуперации теоретически можно вернуть в сеть почти всю накопленную кинетическую энергию и значительную часть потенциальной, которая иначе была бы потеряна в тормозах. На городском транспорте, где движение сопровождается частыми остановками, возвращение кинетической энергии особенно важно.
Определим ориентировочно процент рекуперируемой кинетической энергии. В момент начала торможения поезд имеет кинетическую энергию
Эта энергия подведена к поезду из сети. Но так как часть энергии затрачивается на потери в двигателях и в передаче, то на сообщение поезду кинетической энергии нужно взять из сети следующее количество энергии:
Из этой энергии часть будет потеряна, так как рекуперация невозможна до полной остановки.
Обозначив критическую скорость, до которой происходит рекуперация, через υт.к, получим величину энергии, отдаваемой в сеть:
Однако при обратной отдаче энергии в сеть часть ее будет снова потеряна, поэтому в действительности сеть получит
Определим отношение отданной энергии в подведенной. Приняв к. п. д. двигателя при тяговом режиме равным к. п. д. при рекуперации, получим
Из этой формулы следует, что чем больше скорость начала торможения и чем меньше критическая скорость, тем будет больше доля подведенной энергии, возвращаемая в сеть.
Следовательно, при рекуперации можно возвратить в сеть потенциальную и кинетическую энергии, которые при реостатном торможении теряются в тормозах. Количество рекуперируемой энергии зависит от профиля пути, частоты остановок, критической скорости, скорости начала торможения и ряда других факторов. Применение рекуперативного торможения на городском транспорте зависит от экономических факторов. С одной стороны, рекуперация обеспечивает более или менее значительную экономию энергии, расходуемой для целей тяги; с другой стороны, она вызывает необходимость дополнительных затрат на оборудование подвижного состава и тяговых подстанций. Тяговые подстанции должны иметь специальные устройства для использования этой энергии, например, балластные сопротивления, подключаемые в момент рекуперации к шинам подстанций при помощи быстродействующего реле, или инверторные установки, позволяющие осуществлять обратное преобразование постоянного тока в переменный. Мощность двигателей, выбираемых для рекуперации, приводится устанавливать на 30—35% выше мощности двигателей, предназначенных только для тягового режима.
Расчеты показывают, что рекуперируемая энергия может составлять от 5 до 25—35% общей энергии, расходуемой предприятием. Для городов с легким профилем этот процент значительно ниже и в особенности для двухосного троллейбуса и вагонов без перегруппировки тяговых двигателей. Особую ценность представляет рекуперация в городах с тяжелым профилем, где в сеть возвращается значительная часть потенциальной и кинетической энергии. Преимуществом рекуперации является возможность некоторого сокращения установленной мощности тяговых подстанций, а при сохранении существующей мощности — возможность обслуживания большего количества поездов.
Снижение расхода энергии может быть обеспечено мерами конструктивного и эксплуатационного характера. Остановимся вкратце на конструктивных мерах. Наибольшее влияние на общий расход энергии оказывает вес подвижного состава. При этом собственный вес составляет 60—70% всего веса поезда. Следовательно, снижая этот вес на 1%, можно уменьшить общий расход энергии на 0,6—0,7%. Поэтому при конструировании новых типов подвижного состава необходимо стремиться к всемерному их облегчению. Изменив и улучшив конструкции отдельных элементов подвижного состава и пути, можно значительно уменьшить величину основного сопротивления движению, например, за счет перехода от подшипников скольжения к подшипникам качения, за счет придания вагону большей обтекаемости, более совершенной конструкции и технологии изготовления тяговых двигателей и редукторов, увеличения жесткости пути, а для рельсового транспорта — также и уменьшения числа стыков, смягчения продольного профиля (путем уменьшения величины уклонов), увеличения радиусов закруглений пути и т. п.
Весьма важную роль в снижении расхода энергии играет правильная организация эксплуатации транспорта. За счет эксплуатационных мероприятий могут быть снижены: а) основное удельное сопротивление движению — путем поддержания в хорошем техническом состоянии подвижного состава и путевого хозяйства (в соответствии с ПТЭ); б) сопротивление от кривых посредством качественного содержания рельсового пути; в) потери в тормозах на вредных спусках — установлением наиболее правильного режима вождения подвижного состава; г) потери в пусковых сопротивлениях и тормозных устройствах — устранением лишних пусков, торможений, подтормаживаний, а также другими мерами наиболее рационального режима вождения поезда на линии.