Визначення розрахункових витрат електроенергії підприємством МЕТ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

 

 

В. Х. Далека, Н. В. Гарбуз, О. С. Гордієнко

виконання розрахунково-графічної роботи

з дисципліни «Енергозбереження та енергетичний менеджмент»

 

Харків

ХНАМГ

 

ЗМІСТ

 

1. Порядок виконання розрахунково-графічної роботи ……………………..
2. Визначення розрахункових витрат електроенергії підприємством МЕТ
3. Оцінка витрат електроенергії підприємством МЕТ………………………
4. Розрахунок коефіцієнтів кореляції між витратами електроенергії та експлуатаційними факторами………………………………………………….
5. Побудова математичних моделей витрат електроенергії………………...
6. Аналіз витрат електроенергії за побудованими моделями………………
7. Аналіз можливих шляхів енергозбереження підприємствами МЕТ…….
7.1 Дослідження факторів, що впливають на перевитрати електроенергії при експлуатації міського електротранспорту………………………………..
7.2 Аналіз режиму рекуперації електричної енергії як складової енергозбереження………………………………………………………………
Список літератури…………..………………………………………………….

Вступ

Енергозбереження, як діяльність спрямована на раціональне використання енергії і природних енергетичних ресурсів, - державна проблема, яка постала на порядок денний слідом за найважливішою політичною подією в житті України – здобуттям незалежності.

Входження у світову економіку неминуче припускає створення продукції, конкурентно спроможної на світових ринках. Але створена промислова база була орієнтована на низьку вартість енергетичної складової, котра дотувалася державою. Енергозатратні технології, значна частина застарілого, технічно зношеного устаткування призвели до критичних рівнів витратного й нераціонального використання паливно-енергетичних ресурсів, що викликало енергетичну кризу в нашій країні. Існуючій взаємозв’язок енергетики та економіки виводить на перший план особливу роль економії енергії на всіх рівнях її виробництва і споживання в народному господарстві країни.

Завдання

Місто – Херсон

Коефіцієнт впливу умов руху та інших факторів а0= 5163,03 тис.кВт.год;

Коефіцієнт впливу пробігу тролейбуса а2= 17727кВт.год/км;

Коефіцієнт впливу кількості перевезених пасажирів а4= -0,004735кВт.год/пас;

Пробіг тролейбусів Х2=1309тис. Км;

Кількість перевезених пасажирів Х4= 20928 тис.пас;

Розрахункова похибка ∆у= 661,62тис.кВт.год;

Фактично витрачена електроенергія Уф= 4,16 мл.кВт.год.

Визначення розрахункових витрат електроенергії підприємством МЕТ

 

На витрати електроенергії впливає ряд експлуатаційних факторів. Найбільший вплив має виконана рухомим складом транспортна робота, яку до того ж легко оцінити кількісно. Але є ряд факторів, які дуже важко, а подекуди і неможливо оцінити кількісно, такі як умови експлуатації на маршрутах, якість виготовлення рухомих одиниць, досконалість конструкції рухомого складу і т.ін.

У ГКН 02.07.005-2001 „Витрати електроенергії трамвайними вагонами та тролейбусами. Нормативи. Метод розрахунку” представлена математична модель витрат електроенергії для всіх міст України, де експлуатується рухомий склад МЕТ

Згідно методики, викладеної у ГКН 02.07.005-2001 розрахункові витрати електроенергії визначають за формулою

 

Y_{р =} а₀ + а₁Х₁ + а₂Х₂ + а₃Х₃ + а₄Х₄ (1)

 

де: а₀ – коефіцієнт впливу на витрати електроенергії неврахованих факторів;

а₁, а₂, а₃, а₄ – значення коефіцієнтів впливу факторів Х₁, Х₂, Х₃ і Х₄. Значення коефіцієнтів впливу надані у додатку 1 для кожного міста України (а₁, а₃ = 0 – для підприємств, що експлуатують тільки тролейбуси; а₂, а₄ = 0 – для підприємств, що експлуатують тільки трамваї).

Х₁ – фактичне значення пробігу трамвайних вагонів за рік, тис.км;

Х₂ – фактичне значення пробігу тролейбусів за рік, тис.км;

Х₃ – кількість пасажирів, перевезена за рік трамвайними вагонами, тис.пас;

Х₄ – кількість пасажирів, перевезена за рік тролейбусами, тис. пас;

 

Ур = 5163,03 + 1,7727* 1309+(-0,004735)*20928 = 7384,40022

 

Розрахункове значення витрат електроенергії повинно знаходитися у межах довірчого інтервалу, що визначається розрахунковою похибкою:

 

Y = Y_р ± D_у, (2)

 

де: Y_р – розраховане значення витрат електроенергії, тис. кВт*год;

D_у- похибка визначення витрат електроенергії (тис. кВт*год), яка надана у додатку 1.

Тобто:

 

Y_max = Y_р + D_у, (3)

 

Y_min = Y_р - D_у, (4)

 

Студент одержує у викладача статистичні дані з роботи обраного підприємства за декілька років. Значення коефіцієнтів впливу факторів на витрати електроенергії і розрахункової похибки визначають із додатку 1.

Визначити розрахункове значення витрат електроенергії за минулий рік для підприємства МЕТ за формулою (1).

Розрахувати значення витрат електроенергії згідно (3-4).

 

1. Оцінка витрат електроенергії підприємством МЕТ

 

По закінченні поточного року підприємство міського електротранспорту повинно провести оцінку витрат електроенергії. Оцінка передбачає визначення наявності перевитрат або економії електроенергії за фактичними показниками пробігу трамвайних вагонів і тролейбусів та кількістю перевезених пасажирів.

Перевитратами електроенергії вважається таке значення витрат, яке перевищує максимальну довірчу межу розрахованих витрат електроенергії для фактичних показників пробігу та кількості перевезених пасажирів, тобто:

 

Y_ф > Y_р+D_у (5)

 

Перевитратами електроенергії є різниця

 

Y_п= Y_ф – Y_max (6)

 

У цьому випадку підприємство МЕТ повинно розробити план заходів щодо зменшення витрат електроенергії і реалізувати його у наступному році.

Економією електроенергії вважається таке значення витрат, яке не перевищує мінімальну довірчу межу розрахованих витрат електроенергії для фактичних показників пробігу та кількості перевезених пасажирів, тобто:

 

Y_ф < Y_р-D_у (7)

 

Економією електроенергії є величина різниці

 

Y_е= Y_ф – Y_min (8).

 

У разі отримання економії електроенергії підприємство МЕТ має право на матеріальне стимулювання працівників, згідно „Положення про матеріальне стимулювання колективів і окремих працівників підприємств, організацій та установ за економію паливно-енергетичних ресурсів у суспільному виробництві”.

Згідно статистичних даних з роботи підприємства за індивідуальним варіантом і результатів визначення розрахункових витрат електроенергії зробити висновок про наявність перевитрат або економії електроенергії у минулому році, використовуючи (5 - 8). Запропонувати організаційні заходи відповідно до отриманих результатів.

 

3. Розрахунок коефіцієнтів кореляції між витратами електроенергії та експлуатаційними факторами

 

Залежність двох випадкових величин, за якої кожному даному значенню незалежної змінної відповідає не одне, а ряд значень залежної змінної, називається стохастичною.

Частковим випадком стохастичної залежності є кореляційна залежність, яка характеризується тим, що зміна незалежної змінної супроводжується тільки зміною умовної середньої розподілу залежної змінної [2]. Зв’язок або кореляція двох змінних називається парною. Якщо зі збільшенням x змінна y у середньому зростає, то така парна кореляція буде додатною, якщо ж y має тенденцію до зменшення з ростом x, то говорять про наявність від’ємної кореляції. Нульова кореляція спостерігається за відсутності зв’язку між x і y.

Оцінити ступінь зв’язку двох випадкових величин дозволяє коефіцієнт кореляції, який визначається виразом:

 

, (9)

 

де , – математичні сподівання випадкових величин X, Y відповідно;

, – дисперсії випадкових величин X, Y відповідно;

N – кількість реалізацій випадкових величин X, Y.

Коефіцієнт кореляції може приймати значення у межах . Значення вказує на наявність функціонального зв’язку.

При виконанні розрахунко-графічної роботи необхідно визначити коефіцієнти кореляції між витратами електроенергії і факторами, які на погляд розробника можуть мати істотний вплив на витрати електроенергії. Розрахунок коефіцієнтів кореляції ведуть у Microsoft Excel за допомогою вбудованої функції КОРРЕЛ на основі статистичних даних роботи підприємства за декілька років.

Для подальшого моделювання витрат електроенергії відбирають чотири – п’ять найбільш значущих факторів (ті, для яких значення коефіцієнтів кореляції виявилися не менші за 0,7).

Примітка: Коефіцієнт кореляції виявляє наявність лінійного зв’язку між стохастичними величинами. Якщо розробник вважає, що більш ймовірним являється нелінійний зв’язок, то за узгодженням із викладачем можливий розрахунок відповідних індексів кореляції і подальшої побудови нелінійної моделі.

 

4. Побудова математичних моделей витрат електроенергії

 

Зв’язок залежної змінної з однією або декількома незалежними змінними представляють у вигляді рівняння регресії . Рівняння регресії – вид статистичної моделі, який найчастіше зустрічається на практиці. Подібні моделі застосовуються, по-перше, безпосередньо для техніко-економічного аналізу, де за допомогою рівнянь регресії вимірюють вплив факторів на залежну змінну. По-друге, рівняння регресії інтенсивно застосовуються у прогностичних роботах.

Побудова рівняння регресії полягає у вирішенні двох задач. Перша полягає у виборі незалежних змінних, які істотно впливають на залежну величину, і у визначенні вигляду рівняння регресії. Цей етап у розробці регресії називають специфікацією. Ця задача вирішується за допомогою якісного аналізу взаємозв’язку. Незалежні змінні для побудови моделі витрат електроенергії відбирають за результатами розрахунку коефіцієнтів кореляції.

Друга задача – оцінювання параметрів (коефіцієнтів) рівняння – вирішується за допомогою того або іншого математико-статистичного методу обробки даних. Частіше за все оцінювання параметрів регресій здійснюють на основі метода найменших квадратів (МНК), який полягає у наступному. Параметри рівняння регресії підбираються так, щоб сума квадратів відхилень спостережень від лінії регресії була мінімальною.

При розробці розрахунково-графічної роботи спочатку будують однофакторні лінійні моделі витрат електроенергії, а потім загальну багатофакторну модель.

Залежність витрат електроенергії від кожного з відібраних факторів будують графічно за допомогою майстра діаграм у Microsoft Excel, обираючи точкову діаграму (рис. 1).

У результаті буде побудовано 4 – 5 (залежно від кількості обраних значущих факторів впливу) лінійних залежностей витрат електроенергії із рівняннями регресії.

Можливо величина достовірності апроксимації для одного - двох відібраних за результатами кореляційного аналізу факторів буде нижча за 0,8. Тоді дані фактори підлягають виключенню із подальшої побудови багатофакторної моделі.

Рівняння множинної регресії необхідно записати у вигляді

 

, (10)

 

де а₀ – це коефіцієнт впливу на витрати електроенергії усіх неврахованих факторів, визначають за стовпцем Коэффициенты → Y-пересечение (рис.6);

а_j – це коефіцієнти впливу обраних факторів на витрати електроенергії,

X_j – фактори впливу на витрати електроенергії.

 

2.5 Аналіз витрат електроенергії за побудованими моделями

 

Для виконання цього пункту розрахунково-графічної роботи необхідно оцінити витрати електроенергії підприємством МЕТ за минулий рік, підставивши у побудоване рівняння множинної регресії (10) фактичні значення відібраних факторів. Тобто, якщо за результатами кореляційно-регресивного аналізу були відібрані такі фактори: пробіг трамвайних вагонів (Х₁), пробіг тролейбусів(Х₂), кількість перевезених пасажирів трамвайними вагонами (Х₃), кількість перевезених пасажирів тролейбусом (Х₄) і витрати на перевезення пасажирів (Х₅), то рівняння регресії буде виглядати так:

 

Y_{р1 =} а₀ + а₁Х₁ + а₂Х₂ + а₃Х₃ + а₄Х₄+ а₅Х₅ (11)

 

Значення коефіцієнтів впливу факторів на витрати електроенергії а₀, а₁, а₂, а₃, а₄, а₅ розраховані у пункті 2.4.

Значення факторів Х₁ , Х₂ , Х₃, Х₄, Х₅ одержують із статистичних даних роботи підприємства за минулий рік.

За одержаними результатами роблять висновок про те, яка модель з більшою точністю описує реальний процес енергоспоживання. Якщо фактичне значення витрат електроенергії (взяте із статистичних даних роботи підприємства за минулий рік) ближче до розрахункового значення за формулою (1), то стара модель більш адекватна, якщо ж фактичні витрати ближчі до розрахованого за (11) значення, то побудована модель більш точна і мета розрахунково-графічної роботи досягнута.

Далі пропонують шляхи енергозбереження на підприємстві МЕТ.

 

5 Аналіз можливих шляхів енергозбереження підприємствами МЕТ

5.1 Дослідження факторів, що впливають на перевитрати електроенергії при експлуатації міського електротранспорту

 

Електричний транспорт – крупний споживач електроенергії. Тому майже незначне зниження витрат енергії має суттєве значення. Витрата електроенергії на 1т×км в залежності від типу транспорту і профілю шляху коливається в дуже широких межах. Середнє значення питомих витрат електроенергії при експлуатації сучасного рухомого складу міського електротранспорту наступне: тролейбус – 120-200, трамвай – 40-90, метрополітен – 40-60 Вт×год / т×км.

Витрати та втрати електроенергії за елементами системи електропостачання і рухомого складу на 1 км шляху представлено на рис.

Рисунок - Середні по елементні витрати електроенергії на 1 км шляху для тролейбусів ЗіУ – 9.

 

При забезпеченні живлення рухомого складу постійним струмом, передусім втрати електричної енергії мають місце на перетворювальних агрегатах тягової підстанції і досягають 5 % енергії, що споживається (див. рис. 3.6 та рис. 3.7). Ці втрати складаються з втрат в силовому трансформаторі, вирівнювачах та вентилях і визначаються за відомими методиками [3].

В наступному ступені передачі електроенергії - контактній мережі - втрати електричної енергії пов’язані з нагріванням контактного проводу і залежать від величини еквівалентного струму та параметрів тягової мережі [4]. Величина цих втрат, в середньому, досягає до 9 % споживаної енергії. Значні резерви ресурсозбереження можуть бути використані за рахунок вдосконалення системи живлення і встановлення нових нормативів втрат в контактній мережі. Слід зазначити, що в чинних нормативах експлуатації систем електропостачання, середні втрати напруги від шин тягової підстанції до струмоприймача рухомого складу на любій секції контактної мережі при плановій частоті руху обмежується до 15 % номінальної напруги на шинах, а в вимушених режимах цей показник майже вдвічі більший [5].

При заданій довжині секції контактної мережі l_с втрати енергії на опір, як відомо, залежать від кількості рухомих одиниць, що одночасно перебувають на секції, імовірності одночасного вмикання тягових двигунів цих одиниць, середнього струму, споживаного під час розбігу кожної одиниці, та питомого опору контактного проводу Ом/км. У свою чергу, питомий опір визначається маркою проводу та величиною зносу, якому відповідає втрата площі перерізу.

У розрахунках систем електропостачання міського електротранспорту знос проводів або не враховується зовсім, або приймається однаковим по всій довжині секції. Між тим, як свідчать результати експериментальних досліджень [4], розподіл зносу по довжині перегону є дуже не рівномірним: у зоні пуску (на зупинці, перед світлофором і т.п.) знос контактного проводу, що встановлювався вимірами залишкового перерізу, перевищує знос у середній частині перегону у 2 і більше разів (рис. 9). Отже, припущення щодо однаковості зносу по усій довжині секції не є правомірним і неврахування цієї обставини не дозволяє використати резерви зменшення втрат енергії у контактних проводах.

Рисунок 9 – Інтенсивність зносу контактного проводу в зоні зупинки

Якщо позначити через r_о питомий опір контактного проводу при зносі у середині частині перегону, а через k_p – перевищення питомого опору у зоні пуску, довжиною L_p, то опір контактного проводу наприкінці перегону довжиною L_п можна визначити, як

 

(12)

 

тобто на початку наступного перегону втрати енергії визначатимуться збільшенням, а не середнім опором. Наприкінці секції з n перегонів опір складатиме:

 

(13)

 

Як видно з формули, втрати енергії залежать не тільки від середнього значення зносу, а й від кількості пунктів n на секції, де відбуваються пуски. Отже, удосконалення умов експлуатації у напрямку зменшення кількості пусків на секції при однакових інших умовах спричинятиме до зменшення втрат енергії.

Як приклад, розрахуємо зменшення витрат на опір контактних проводів на секції довжиною L_с = 1900 м при зменшенні кількості зупинок з n = 3 до n′ = 2. Згідно з [6] довжина L_р складає 50 м, k_р = 1,5. Відносне зменшення втрат енергії на опір контактних проводів у цьому випадку складатиме:

 

. (14)

 

Таким чином, перегляд розміщення пасажирських зупинок, створення пріоритетних умов для руху міського електротранспорту, наближення повітряних стрілок з середини перегону до пасажирських зупинок або світлофорів, раціональне розміщення секційних ізоляторів, як за розрахунками струморозподілу так і їх просторового розміщення та інші аналогічні заходи дають значне зменшення шкідливих втрат енергії у системі електропостачання.

Характерним для всього електричного транспорту є втрати електричної енергії на контакті “контактний провід – струмоприймач”. Ці втрати залежать від площі контакту струмоприймача з контактним проводом, густини струму, коефіцієнту контактного опору, тиску на контактний провід [6 - 11]. Тому вдосконалення конструкції струмоприймачів і оптимізація їх статичних та динамічних характеристик повинні бути основою розробки проектів ресурсозбереження при забезпеченні струмознімання.

Дані по структурі витрат електроенергії, які наведені на рис. 7 та рис. 8, показують, що тільки 28 % для трамвая та 38 % для тролейбуса спожитої електричної енергії використовуються на подолання опору руху, тобто перетворюється в механічну енергію і може частково бути перетвореною знову в електричну при гальмуванні. Значно більший обсяг електроенергії витрачається безповоротно в елементах електрообладнання на управління тяговими двигунами та власні потреби (опалення, освітлення, заряд акумуляторних батарей, живлення систем автоматики, приводів вентиляторів, компресорів тощо).

Аналіз літературних джерел показує, що застосування безреостатного пуску і рекуперативного гальмування у всьому діапазоні робочих швидкостей рухомого складу дозволяє знизити витрати електроенергії на рух на 25-40 %; за рахунок експлуатаційних заходів, в тому числі і раціонального режиму водіння, можуть бути знижені втрати в пускових реостатах і гальмівних пристроях при додаткових пусках, гальмуваннях, підгальмовуваннях, які складають 3-5 % від споживчої енергії; зниження опору руху на 1% приводить до скорочення втрат енергії приблизно на 0,5%; режим буксування коліс відносно дороги або рейкової колії приводить до втрати біля 7,4% всієї споживчої електричної енергії [10, 12 - 18].

Дослідження, які виконані на міському та залізничному електричному транспорті, промисловому електроприводі [11 - 35] свідчать про необхідність розробки проектів ресурсозбереження з модернізації технічних систем міського електротранспорту для зменшення матеріаломісткості, опору руху, втрат електроенергії, зокрема за рахунок заміни контактно-реостатних систем керування на безконтактні тиристорно-імпульсні системи, вдосконалення конструкції електричних машин, апаратів і ін. з урахуванням режиму буксування, нерівномірності струморозподілу в силових колах тягового електрообладнання та рекуперативного гальмування.

 

2.6.2 Аналіз режиму рекуперації електричної енергії як складової енергозбереження

 

Найбільша складова потенціалу енергозбереження припадає на гальмівні втрати, тобто на кінетичну енергію, яку має кожна рухома одиниця перед початком гальмування і яка в процесі гальмування витрачається на нагрівання резисторів гальмівного реостата та тертя у механічних гальмах. Нераціональність такого перетворення електроенергії була очевидна, мабуть, з перших кроків застосування електроприводу на колісному наземному транспорті, але також були очевидні технічні труднощі в реалізації ідеї використання перетвореної з кінетичної енергії рухомої одиниці електричної енергії для повторного споживання – так званої енергії рекуперації [36 - 42].

Ці труднощі стосувалися як забезпечення умов переходу тягових двигунів у генераторний режим зі збереженням належного рівня електропротирушійної сили при зміні швидкості обертання якорів від будь-якого початкового значення до нуля, так і забезпечення умов споживання рекуперованої енергії. До появи на транспорті силової електроніки, тобто на рухомому складі з реостатно – контакторним регулюванням, вирішення проблеми забезпечення генераторного режиму тягових двигунів з рівнем електрорушійної сили, більшим за рівень напруги у контактній мережі та при підтриманні сталого моменту на якорі, по всьому діапазону швидкостей руху було принципово неможливо. Застосування двигунів з переважаючою намагнічувальною силою паралельних обмоток на МЕТ (трамвайні вагони РВЗ – 6, РВЗ – 6М, РВЗ – 6М2, тролейбуси МТБ – 82Д, ЗіУ-5), які дозволяли реалізувати рекуперативне гальмування до швидкості не менше 24 км/год., практично ніяких зрушень у енергоспоживанні не зробило, оскільки схемою керування передбачалося рекуперативне гальмування на позиціях розбігу, що спричиняє певні незручності для водіїв.

Крім того, навіть і невеликий відсоток можливої економії енергії не міг бути реалізований, оскільки імовірність реалізації потужності рекуперації та одночасного існування не меншої потужності споживання на одній секції або навіть на одному районі живлення є надзвичайно малою. Ось чому, незважаючи на надзвичайно привабливі результати теоретичного обчислення можливої економії енергії при застосуванні на рухомому складі електричного транспорту електронних перетворювачів, що передбачають рекуперацію до повної зупинки та інших накопичувачів проблема використання енергії рекуперації досі залишається не вирішеною [39 - 42]. На сьогоднішній день також не вирішено питання доцільності розміщення накопичувачів електроенергії: безпосередньо на транспортному засобі. або в системі тягового електропостачання [42]. В більшості наукових робіт не приділяється значної уваги на втрати в елементах силового приводу і системи електропостачання при оберненому перетворенні механічної енергії в електричну. Як було відмічено в п.2.6.1 тільки в контактній мережі та тягових підстанціях в номінальних режимах допускаються втрати електроенергії до 15%. Дослідження, які були виконані на метрополітенах різних міст, показали, що при забезпеченні графіків руху поїздів для максимального споживання електроенергії рекуперації, енергія міжпоїздного обміну складає 8-13%, надлишкова 5-1,5 % при енергії рекуперації 13-15 % загальних витрат на тягу поїздів.

Вільним від вказаних недоліків є акумулювання енергії рекуперації безпосередньо на рухомих одиницях з наступним її використанням при пусках. Можливість накопичення енергії з наступним її використанням практично доведена на багатьох видах транспорту, з яких найбільшою досконалістю відрізняються гіробуси швейцарської фірми “Ерлікон”, які здійснювали перевезення пасажирів протягом 15 років. До експериментальних зразків доведена розробка вагонів метрополітену з інерційним енергоакумулятором рекуперованої енергії, які пройшли випробування у Нью-Йорку, проведені експлуатаційні випробування автобуси ЛАЗ-695 з маховиком, міських автобусів Ikarus 556 з пневмоакумулятором у Ченстохові (Польща) [36 - 38].

Згідно з існуючою класифікацією, акумулювання енергії може бути у електричній, електрохімічній, пневматичній, механічній та тепловій формі. Вибір тої чи іншої форми для застосування на МЕТ визначається крім таких очевидних критеріїв, як питома енергоємність (кількість енергії на одиницю маси енергоакумулятора), максимальна потужність, глибина розряду, максимальна кількість циклів “заряд-розряд”, також прийнятністю енергоакумулятора з точки зору безпеки для пасажирів та технічним рівнем експлуатаційних підприємств. З цих позицій використання теплових, надпровідних індуктивних накопичувачів, літій–хлорових електрохімічних високотемпературних акумуляторів, водневих електролізерів принаймні на найближчі десятиліття не матимуть перспективи. Прийнятними з точки зору наступництва техніки є очевидно електрохімічні низькотемпературні акумулятори, інерційні маховики та пневмоакумулятори.

Зі співставлення характеристик енергоакумуляторів за показниками питомої енергоємності та питомої потужності (рис. 10) однозначно випливає перевага механічних акумуляторів – маховиків над електрохімічними акумуляторами та енергоакумулюючими системами, що використовують стиснене повітря. Найбільш придатним з точки зору конструкції рухомого складу МЕТ є електрохімічні акумулятори, бо їх застосування потребує лише додаткового керованого інвертора для підтримання напруги заряджання батареї під час рекуперації та поступового підняття напруги під час споживання накопиченої енергії, у той час як механічні та пневматичні енергоакумулятори вимагають принципово відмінних конструктивних рішень ходових частин.

 

Рисунок 10 - Порівняння енергоакумуляторів різних видів за питомою енергоємністю Е/М та питомою потужністю Р/М.

 

При існуючих зараз параметрах рухомого складу корисна енергія одного рекуперативного гальмування з урахуванням роботи з подолання опору рухові знаходиться в межах 1,0 – 2,5.10⁶ Дж при максимальній початковій потужності у 200 – 450 кВт і тривалості рекуперації до 15 с. Розділивши корисну енергію рекуперації на показник питомої енергоємності та на показник питомої потужності, отримаємо приблизні значення маси додаткового устаткування для різних видів енергоакумуляторів. Так, для звичайних акумуляторів, що використовуються зараз на транспорті, додаткова маса сягає до 3000 кг, для срібно-сірчаних – до 1500 кг, для інерційних маховиків – до 800кг. Пневматичні акумулятори взагалі неспроможні забезпечити накопичення потрібного обсягу енергії, бо їх маса повинна бути співмірна з масою самого рухомого складу.

З цього логічно випливає пропозиція інвертувати енергію рекуперації до первинної мережі електропостачання, тобто перетворювати енергію постійного струму, що надходить від контактної мережі при рекуперації рухомої одиниці на секції, у енергію трифазного змінного струму напругою 600В на вторинній обмотці силового трансформатора тягової підстанції, який стає таким чином підвищувальним та передає енергію до мережі змінного струму 6 – 10 кВ. Ця ідея була вперше реалізована на тягових підстанціях залізниць, але внаслідок малої надійності ртутних перетворювачів, які на той час були єдиними керованими електронними приладами, широкого розповсюдження не знайшла.

З появою силових напівпровідникових приладів, а особливо керованих тиристорів, інвертування енергії рекуперації у первинну електромережу перейшло з розряду наукових проблем до розряду суто інженерних задач, зокрема на реверсивному електроприводі, де її впровадження дало значний економічний ефект. Принципова схема живлення електротранспорту при цьому виглядатиме так, як подано на рис. 11.

При наявності на районі живлення деякої кількості одиниць, з яких певна частина рекуперує, різниця потенціалів між позитивними та негативними шинами розподільчого пристрою постійного струму може стати більша за номінальну напругу на виході випрямляча, який внаслідок цього закривається, а інвертор – відкривається. Робота секції при цьому моделюється паралельними, за кількістю рухомих одиниць, ланцюгами з резисторами, що уособлюють опір силових кіл рухомих одиниць і опір контактно – кабельної мережі від струмоприймачів до шин тягової підстанції, та джерелами електропротирушійної сили, що імітують тягові двигуни у тяговому Е_р.о. <U_{к.м .} та генераторному Е_р.о.>U_{к.м .} режимах.

 

Рисунок 11 - Спрощена схема живлення секції на інвертор ній тяговій підстанції

 

Відомо, що напруга на струмоприймачах рухомих одиниць дорівнює напрузі на шинах розподільчого пристрою постійного струму U_шв мінус втрати напруги з-за опору контактного проводу та кабелів ΔU_Т, а напруга на шинах розподільчого пристрою постійного струму нижча від напруги холостого ходу випрямляльного агрегата на величину ΔU_ххв і при навантаженні більше 50 А є незмінною у всьому діапазоні навантажень (рис. 12). В інверторному режимі напруга на шинах того ж самого розподільчого пристрою U_ші буде більша за напругу холостого ходу інвертора на величину ΔU_ххі.

Рисунок 12 - Залежність напруги в контактній мережі від струму при рекуперації.

 

При протіканні струму рекуперації, тобто від струмоприймача до шин, втрати напруги від цього струму мають протилежний знак, і в разі перевищення струму рекуперації ІР над тяговим струмом ІТ напруга в контактній мережі Uкм перевищуватиме напругу на величину різниці втрат напруги плюс подвійне прирощення напруги холостого ходу. З цього випливає, що за наявності інвертування рекуперативної енергії у первинну мережу трифазного змінного струму напруга в контактній мережі повинна збільшуватися понад номінальною, що небезпечно як для електрообладнання одиниці, що рекуперує, так і для інших одиниць у даному районі живлення.

Отже, потрібно забезпечувати, щоб впровадження інвертування енергії рекуперації у первинну електромережу на МЕТ йшло паралельно з оснащенням рухомого складу електронними перетворювачами, здатними здійснювати рекуперативне гальмування до повної зупинки. Поки що цього не сталося, по-перше, з-за відсутності належного фінансування науково-дослідних та конструкторських робіт, а по друге, з-за відсутності донедавна ефективного технічного рішення компенсації підвищення напруги у контактних мережах при рекуперації.

Тому необхідно розробляти проекти енергозбереження, що направлені на вдосконалення конструкції транспортних засобів та систем електропостачання і забезпечення відповідних умов експлуатації.

Додаток 1