Виды и параметры электрического тока для вагона

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

 

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

Студент заочного факультета

Учебный шифр:11-В-220 Павельев А.В.

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

 

2015

Виды и параметры электрического тока для вагона.

Электрификация железных дорог осуществляется как в виде перевода существующих железных дорог на электрическую тягу, так и созданием новых электрифицированных ж. д. На электрифицированных железных дорогах тяговые электродвигатели локомотивов (электровозов или электрических секциях пригородных поездов) получают энергию от контактной сети, подключенной к тяговой подстанции. Электрифицированная железная дорога одновременно решала еще одну важную задачу — осуществляет электроснабжение районов, прилегающих к дороге: промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Электрификация железной дороги повышает пропускную и провозную способности, надёжность работы, сокращает эксплуатационные расходы, позволяет сделать ж.-д. транспорт более комфортабельным. На электрифицированных ж. д. имеется возможность возврата части электрической энергии в контактную сеть при движении поезда на спусках и при торможении (рекуперация или рекуперативное торможение). Кроме того, для выработки электроэнергии на ТЭЦ обычно используют низкосортное топливо, которое нельзя применять в тепловозах.

В контактной сети электрифицированных ж. д. в СССР используется постоянный электрический ток напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты напряжением 25 кВ.

При питании переменным током усложняется конструкция подвижного состава, но значительно упрощаются устройства энергоснабжения электрических железных дорог, увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями при тех же потерях до 50 км (20—25 км при постоянном токе), снижается стоимость строительства контактной сети до 10%, в 2,5 раза меньше расход меди (за счет меньшей площади сечения фидеров).

Использование двух родов тока в системе тягового электроснабжения железных дорог сложилось исторически. Все дело в том, что на заре электрификации на ЭПС использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В, или как принято говорить у электриков, 1,5 или 3 кВ. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно расла нагрузка тяговых сетей. Мощность равна произведению тока на напряжение. Расли нагрузки, расли и потери в тяговой сети. Ведь потери пропорциональны квадрату тока, или. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один — это уменьшить величину тока, но при той же мощности наргузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие — для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на ЭПС стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше — ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока — полностью или по частям. При этом электровоз, например, одного рода тока подходит к станции, ему подают в КС нужный ток, он оставляет состав на заданном пути, отцепляется, уходит на стоянку с нужным типом тока, после этого ток в контактной сети переключается на другой тип тока, с другой стоянки выходит электровоз с другим типом тока и прицепляется к составу и он продолжает движение. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которые могут двигаться при любой системе электропитания. Для перехода с одной системы на другую электровозу в любом случае нужно остановится на станции стыкования и провести определенные операции по переключению — он не может просто продолжить движение без остановки. Еще одним недостатком является их высокая стоимость. 
Споры о преимуществах систем не прекратились до сих пор. На заре внедрения переменного тока считалось, что эта система электропитания более экономичная, но время расставило все по своим местам и сейчас однозначного решения нет. Рассмотрим факты: 
1. Подвижной состав постоянного тока в полтора раза дешевле. 
2. Удельный расход у ЭПС на холмистом профиле, типичном для большей части нашей страны на 30% ниже (для примера ЭР2 — 20-21 Вт, ЭР9 — 28-30 Вт). Вывод напрашивается очевидный и неутешительный — чем больше объемы движения по участку, чем больше убытки от использования переменного тока в части размера затрат электроэнергии на единицу груза. 
3. Стоимость электрификации 100 км переменным током на однопутной линии при 2 подстанциях и одностороннем питании будет 60 млн. $, постоянным током при расстоянии между подстанциями в 20 км — порядка 80 млн. $. Кроме экономии на строительстве КС надо не забывать о п.1 — подвижной состав дороже, стоимость электропоезда переменного тока ЭД9М — 3,5 млн. $, ЭД4М — 2,2 млн. $, электровоз переменного тока (например ЭП10) — 1,5 млн. $ — ЭП1, электровоз постоянного тока (например экземпляр Siemens) — около 1 млн. $.

Статистика 80-90-х годов показывает, что если брать удельный расход электроэнергии на участок по показаниям Тяговых Подстанций (а не счетчиков подвижного состава, как часто делают для «облогораживания цифр»), то для переменного участка он на 6-15 процентов выше. Причина — потери в выпрямительных установках подвижного состава. 
Есть и европейский опыт — Нидерланды сохранили постоянный ток при том, что у соседних стран — переменный. Из-за этого многие составы имеют двух-, и даже трех- или четырех-системные двигатели. 
Есть и пример из российского настоящего — перевод участка Лоухи — Мурманск на переменный ток. Более полное использование мощности локомотива при этом типе питания должно было привести к уменьшению расхода электроэнергии. Но расход увеличился, эксплуатационные расходы выросли.

Тем не менее есть у системы электропитания переменным током и неоспоримые преимущества:

1. При более  высоком расходе электроэнергии  на тяговых установках подвижного  состава может достигаться и  более высокая скорость. На практике этого преимущества в России просто негде применить. 
2. При сложном профиле, где потребляемая мощность велика. В качестве примера можно привести участок Транссиба — Зима — Слюдянка. Из-за уклона до 19 тыс. потребляемая мощность была настолько велика, что расстояние между подстанциями сделали 11 км, а кое-где и 7 км. Площадь сечения проводов достигала 600 кв. мм (усиление КС третьими и даже четвертыми проводами)

В связи с неоднозначностью ситуации в последнее время отказались от перевода на переменный ток участков Данилов — Ярославль-Главный — Александров, Ярославль — Кострома и ряда других. 
Постоянный ток преимущества перед переменным не имеет. По этой причине при новом строительстве линий (и при электрификации линий на автономной тяге) дают предпочтение переменному току.

Электрооборудование применяемое в современных пассажирских вагонах используется для освещения салонов, купе, коридоров, туалетов; вентиляции помещений вагона; отопления вагона и подогрева подаваемого в него воздуха зимой; охлаждение подаваемого воздуха летом; охлаждение продуктов питания и питьевой воды; радиовещания и работы устройств связи; создания комфортных условий для перевозки пассажиров и облегчения обслуживания поездной бригадой. Кроме того, для обеспечения работы устройств сигнализации и контроля безопасности.

По назначению вагонное электрооборудование делится на источники электрической энергии, преобразователи и потребители. Электрооборудование пассажирского вагона сложно и работает в тяжелых условиях. В процессе эксплуатации на него действует значительные динамические усилия, оно подвержено атмосферным воздействиям. Поэтому к нему предъявляют высокие требования, которые гарантируют его надежность.

           Системы электроснабжения делятся  на автономные, в которых электрическая энергия поступает к потребителям от подвагонного генератора, и централизованные, в которых энергия поступает в вагон по электрической поездной магистрали от вагона-электростанции или от локомотива и комбинированные. Кроме того, существуют резервная и аварийная системы электроснабжения — от аккумуляторной батареи.

           Номинальными напряжениями автономных  систем электроснабжения являются 110 В постоянного тока в вагонах с кондиционированием воздуха и 50 В постоянного тока в остальных типах вагонов. При централизованной системе электроснабжения от вагона-электростанции получают трехфазный ток напряжением 380/220 В частотой 50 Гц, а от локомотива — напряжением 3 кВ постоянного или переменного тока.

Краткое описание электрооборудования вагона

Пассажирские вагоны с автономной системой электроснабжения характеризуются тем, что имеют собственные источники электрической энергии, обеспечивающие питание низковольтных потребителей электроэнергии при движении и на стоянках.

Преимуществом этой системы является ее независимость от внешнего источника питания, что позволяет эксплуатировать вагоны в любом поезде, в любом направлении, и не зависимо от типа поездного локомотива.

В этой системе для низковольтных потребителей применяется исключительно постоянный ток. Это объясняется тем, что на вагоне установлена аккумуляторная батарея, которая служит резервным и аварийным источником питания. Кроме того, в системах с приводом от оси колесной пары генератор работает с переменной частотой вращения, пропорциональной скорости движения поезда. Генератор переменного тока вырабатывал бы при этих условиях электрический ток переменной частоты, что недопустимо для целого ряда потребителей. При использовании генератора постоянного тока стабилизировать его напряжение при изменении частоты вращения проще, чем частоту тока. Постоянный ток для питания системы электроснабжения может быть получен не только от генератора постоянного, но и от генератора переменного тока. Однако в этом случае потребители и аккумуляторную батарею подключают к источнику через выпрямитель.

На вагоне применяется генератор с приводом от оси колесной пары вырабатывающий напряжение 110 В.

Как резервный и аварийный источник энергии используется аккумуляторная батарея, которая питает основные потребители поезда при неработающем генераторе (при его неисправности, на стоянке), а также при малой скорости движения поезда, когда генератор не развивает необходимую мощность. Кроме того, аккумуляторная батарея воспринимает пики нагрузки, возникающие при одновременном включении нескольких потребителей большой мощности, пуске электрических двигателей, кратковременных перегрузках и др.

Емкость аккумуляторной батареи выбирают такой, чтобы можно было обеспечить энергией потребители при малой скорости движения, на промежуточных станциях и при аварийном режиме с уменьшенной нагрузкой. Во время отстоя вагон подключается к стационарному источнику энергии, с помощью которого производится питание основных потребителей и подзарядка аккумуляторной батареи.

Система электроснабжения пассажирских вагонов

При автономной системе электроснабжения источники электроэнергии расположены только непосредственно на вагоне. На пассажирских вагонах в качестве источников электроэнергии используются генераторы с приводом от оси колесной пары и аккумуляторные батареи. На вагонах без системы кондиционирования воздуха в электрической сети вагона номинальное напряжение 50 В, на вагонах с кондиционированием воздуха с целью снижения потерь мощности в сети при больших токах нагрузки номинальное напряжение повышено до 110 В.

Мощность генератора у вагонов с системой кондиционирования воздуха составляет 30-35 кВт, при номинальном напряжении в сети вагона – 110 В. Основным преимуществом системы электроснабжения с приводом генератора от оси колесной пары является то, что питание электрических потребителей в каждом вагоне не зависит от внешних источников электрической энергии. Вследствие этого обеспечивается высокая эксплуатационная маневренность пассажирских вагонов (возможность передачи вагонов из одного поезда в другой и их отцепки от локомотива и от поезда без нарушения нормального электроснабжения других вагонов, легкость переформирования поездов и т.д.). Автономная система электроснабжения обеспечивает также резервирование электроснабжения. В случае выхода из строя собственного генератора электрическую сеть вагона можно подключить к сети соседнего вагона.

При скорости поезда выше 35-40 км/ч все потребители получают питание от подвагонного генератора, а аккумуляторная батарея находится в режиме зарядки от зарядного устройства. На современных вагонах устанавливаются генераторы переменного тока, которые проще по конструкции и более надежны в эксплуатации по сравнению с генераторами постоянного тока. В связи с этим электропотребители подключены через выпрямительный мост. При изменении скорости движении и тока нагрузки напряжение генератора остается неизменным за счет регулирования тока в обмотке возбуждения регулятором напряжения генератора.

Во время стоянки и при низкой скорости движения потребители получают питание от аккумуляторной батареи. Когда вагон находится на длительной стоянке – в отстое, потребители получают питание от внешнего источника питания через блок внешнего источника электроэнергии, преобразующий переменное трехфазное напряжение внешней сети 380/220 В в переменное трехфазное напряжение 142 В, которое выпрямляется так же, как и переменное напряжение генератора через трехфазный выпрямительный мост.

Автономная система электроснабжения с приводом генератора от оси колесной пары кроме преимуществ автономности имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих перспективность ее развития. Основной недостаток – это энергозатратность системы в целом. Вращение генераторов от оси колесной пары осуществляется за счет силы тяги локомотива. Если учесть потери энергии в электроприводе локомотива, потери энергии в приводе генератора, потери мощности в самом генераторе, то в пассажирском поезде с вагонами, оборудованными климатической установкой, затраты тяги локомотива на работу генераторов вагонов составляют 20-25 %.

Мощность подвагонного генератора ограничена моментом, который можно передать от колесной пары, так как он определяется силой сцепления колеса с рельсом. С учетом затрат на техническое обслуживание и ремонт машин и аппаратов системы автономного энергоснабжения с приводом генератора от оси колесной пары стоимость электроэнергии в 5-10 раз выше, чем при системе централизованного электроснабжения. Привод от оси колесной пары увеличивает необрессоренную массу ходовых частей, ухудшая этим динамические качества вагона и увеличивая изнашиваемость колес колесной пары с приводом генератора, появляется большая вероятность заклинивания колесной пары при торможении.

 

Система эвакуации отходов.

При строительстве, реконструкции и модернизации пассажирских вагонов желательно оборудование их туалетными системами замкнутого типа. В туалетную систему должны входить унитаз, бак накопитель, система трубопроводов слива, откачки, вентиляции, блок управления, датчик уровня заполнения бака, датчик температуры.

Резервуары, трубопроводы замкнутой системы сбора канализационных стоков должны размещаться на удалении от подвагонного оборудования для предотвращения его загрязнения, иметь теплоизоляцию для обеспечения предохранения от замерзания в них воды после отключения отопления при температуре наружного воздуха -10o С в течении 12 часов. Сточные трубы необходимо оборудовать устройствами для размораживания.

Расход воды на один дозированный смыв при однократном нажатии на педаль не должен составлять не менее 0,25 л. и не более 0,4 л.

Унитаз должен изготавливаться из коррозионно-стойкого материала. Конструкция крепления должна исключать попадание влаги под унитаз на настил пола вагона.

Накопительный бак туалетной системы должен представлять собой конструкцию цилиндрической формы без острых углов, для обеспечения полного слива его содержимого.

Вместимость бака должна обеспечивать сбор отходов, но быть не менее 250 л.