Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 57918 10.20295/2223-9987-2023-1-77-92 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Experimental Research of Energetic Efficiency of Electric Locomotive Asynchronous Traction Drive at Changing Load Экспериментальное исследование энергетической эффективности асинхронного тягового привода электровозов при изменяющейся нагрузке Зарифьян Александр Александрович Zarif'yan Aleksandr Aleksandrovich zar.plgrph@gmail.com

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Колпахчьян Павел Григорьевич Kolpahch'yan Pavel Grigor'evich kolpakhchyan@pgups.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Ростовский государственный университет путей сообщения Ростов Россия Rostov State University of Railway Communications Rostov Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation 27 03 2023 27 03 2023 2023 1 77 92 26 03 2023 https://itt-pgups.ru/en/nauka/article/57918/view

Цель: Поскольку в эксплуатации электровозы работают в условиях изменяющейся нагрузки, важное значение имеет вопрос о том, каким образом показатели энергетической эффективности тягового привода зависят от реализуемой мощности. Поставлена задача получить в ходе экспериментального исследования основные показатели энергетической эффективности — коэффициент полезного действия, коэффициент использования мощности и коэффициент мощности — асинхронного тягового привода новых грузовых электровозов 2(3)ЭС5С семейства «Атаман» при работе с изменяющейся нагрузкой. Методы: Исследования проведены на полноразмерном стенде для испытаний тягового привода. Особое внимание уделено экспериментальному определению потерь в зависимости от реализуемой мощности. Стенд построен по схеме взаимной нагрузки, каждый из двух каналов включает тяговый преобразователь и колесно-моторный блок. Оси колесных пар двух колесно-моторных блоков соединены при помощи динамометрической муфты, которая позволяет регистрировать значения вращающего момента на колесных парах и частоту вращения. Результаты: Испытания проведены для шести уровней мощности, что позволило получить зависимости КПД основных элементов привода от изменяющейся нагрузки. Результаты представлены в табличной и графической форме. Показано также, каким образом КПД электровоза изменяется в зависимости от нагрузки (по данным бортового регистратора). Практическая значимость: Полученные зависимости КПД основных элементов привода (преобразователя и тягового электродвигателя с редуктором) от величины нагрузки представляют собой исходную информацию для работы алгоритма дискретно-адаптивного управления многодвигательным тяговым приводом, который применен на электровозах 2(3)ЭС5С. Реализация этого алгоритма позволила сократить удельный расход электрической энергии на тягу в пределах 20–30 % в зависимости от условий эксплуатации.

Purpose: As electric locomotives work in changing load conditions, the question on how traction drive energetic efficiency indicators depend on being realized capacity has important meaning. The task is set to get in the course of experimental research — energetic efficiency main indicators — efficiency coefficient, capacity usage coefficient and capacity coefficient — of asynchronous traction drive of new freight electric locomotives 2(3)ES5S of “Ataman” family at work with changing load. Methods: Studies are given on full-size bench for traction drive testing. Special attention is paid on experimental definition of losses depending on being realized capacity. The bench’s built according to mutual load scheme, each of two channels includes traction converter and wheel-drive block. Wheelset axles of two wheel-drive blocks are connected with the help of torque clutch which allows to register torque values on wheelsets and rotation frequency. Results: Tests are hold for capacity six levels that has made it possible to obtain dependencies of efficiency coefficients of drive main elements versus changing load. The results are shown in tabular and graphical forms. It’s also shown how efficiency coefficient does change depending on load (according to board logger). Practical significance: The obtained dependencies of efficiency coefficients of drive main elements (converter and traction electric drive with reducer) from load value represent initial information for the work of the algorithm of discrete-adaptive control of multidrive traction gear which’s applied on electric locomotive 2(3)ES5S. This algorithm realization has allowed to cut specific expenditure of electric energy on traction in 20–30% limits depending on exploitation conditions.

 Электровоз асинхронный тяговый привод энергетическая эффективность при переменной нагрузке экспериментальное и расчетное определение показателей энергетической эффективности Electric locomotive asynchronous traction gear energetic efficiency at changing load energetic efficiency indicator experimental and calculated definition

Гапанович В. А. Энергосбережение на железнодорожном транспорте / В. А. Гапанович, В. Д. Авилов, Б. А. Аржанников и др.; под ред. В. А. Гапановича. - М.: МИСиС, 2012. - 620 с. Gapanovich V. A. Energosberezhenie na zheleznodorozhnom transporte / V. A. Gapanovich, V. D. Avilov, B. A. Arzhannikov i dr.; pod red. V. A. Gapanovicha. - M.: MISiS, 2012. - 620 s. Brecher A. Best Practices and Strategies for Improving Rail Energy Efficiency: Tech-nical reports / A. Brecher, J. Sposato, B. Kennedy // Office of Research and Development. Washington, DC 20590. - Report number: DOT/FRA/ORD-14/02. - 28 jan. 2014. Brecher A. Best Practices and Strategies for Improving Rail Energy Efficiency: Tech-nical reports / A. Brecher, J. Sposato, B. Kennedy // Office of Research and Development. Washington, DC 20590. - Report number: DOT/FRA/ORD-14/02. - 28 jan. 2014. Версия годового отчета ОАО «РЖД» за 2019 год по итогам утверждения Пра-вительством Российской Федерации (Распоряжение Правительства Российской Феде-рации от 30 сентября 2020 г. № 2509-р). - URL: https://ar2019.rzd.ru/ru/appendices. Versiya godovogo otcheta OAO «RZhD» za 2019 god po itogam utverzhdeniya Pra-vitel'stvom Rossiyskoy Federacii (Rasporyazhenie Pravitel'stva Rossiyskoy Fede-racii ot 30 sentyabrya 2020 g. № 2509-r). - URL: https://ar2019.rzd.ru/ru/appendices. Зарифьян А. А. Алгоритм повышения энергетической эффективности электро-возов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока / А. А. Зарифьян // Вестник РГУПС. - 2016. - № 1. - С. 50-61. Zarif'yan A. A. Algoritm povysheniya energeticheskoy effektivnosti elektro-vozov s asinhronnym tyagovym privodom pri pitanii ot seti postoyannogo toka / A. A. Zarif'yan // Vestnik RGUPS. - 2016. - № 1. - S. 50-61. Патент № 2617857 Российская Федерация, МПК B60L 15/20, B61C 15/00, B60K 31/00, B61C 17/12. Способ управления энергетической эффективностью локомотива при работе с неполной нагрузкой / А. А. Андрющенко, А. А. Зарифьян, Ю. А. Орлов и др. - 2017. - URL: https://patents.google.com/patent/RU2617857C2/ru. Patent № 2617857 Rossiyskaya Federaciya, MPK B60L 15/20, B61C 15/00, B60K 31/00, B61C 17/12. Sposob upravleniya energeticheskoy effektivnost'yu lokomotiva pri rabote s nepolnoy nagruzkoy / A. A. Andryuschenko, A. A. Zarif'yan, Yu. A. Orlov i dr. - 2017. - URL: https://patents.google.com/patent/RU2617857C2/ru. Andrewshchenko A. Reduction of electric locomotive's energy consumption by scal-able tractive power control / A. Andrewshchenko, P. Kolpahchyan, Jr. A. Zarifyan // Transport Problems. Scientific journal. - 2018. - Vol. 13. - Iss. 2. - Pp. 103-110. Andrewshchenko A. Reduction of electric locomotive's energy consumption by scal-able tractive power control / A. Andrewshchenko, P. Kolpahchyan, Jr. A. Zarifyan // Transport Problems. Scientific journal. - 2018. - Vol. 13. - Iss. 2. - Pp. 103-110. Zarifyan Jr. A. Increasing the Energy Efficiency of Rail Vehicles Equipped with a Multi-Motor Electrical Traction Drive, 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED) / Jr. A. Zarifyan, N. Grebennikov, T. Talakhadze et al. - 2019, pp. 1-5. - DOI: 10.1109/IWED.2019.8664283. Zarifyan Jr. A. Increasing the Energy Efficiency of Rail Vehicles Equipped with a Multi-Motor Electrical Traction Drive, 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED) / Jr. A. Zarifyan, N. Grebennikov, T. Talakhadze et al. - 2019, pp. 1-5. - DOI: 10.1109/IWED.2019.8664283. Колпахчьян П. Г. Потери в асинхронном тяговом двигателе при питании от преобразователя частоты и числа фаз / П. Г. Колпахчьян, В. И. Захаров // Вестник Все-российского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института элек-тровозостроения. - 2005. - № 48. - С. 78-88. Kolpahch'yan P. G. Poteri v asinhronnom tyagovom dvigatele pri pitanii ot preobrazovatelya chastoty i chisla faz / P. G. Kolpahch'yan, V. I. Zaharov // Vestnik Vse-rossiyskogo nauchno-issledovatel'skogo i proektno-konstruktorskogo instituta elek-trovozostroeniya. - 2005. - № 48. - S. 78-88. Бабич В. М. Повышение энергетической эффективности электровозов / В. М. Бабич. - Омск: Омская гос. акад. путей сообщения, 1995. - 112 с. Babich V. M. Povyshenie energeticheskoy effektivnosti elektrovozov / V. M. Babich. - Omsk: Omskaya gos. akad. putey soobscheniya, 1995. - 112 s. Плаксин А. В. Пути снижения расхода электрической энергии при эксплуа-тации пассажирских электровозов на равнинных участках железных дорог / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба. - Омск: Омский гос. ун-т путей сооб-щения, 2017. - № 1(29). - С. 35-47. Plaksin A. V. Puti snizheniya rashoda elektricheskoy energii pri eksplua-tacii passazhirskih elektrovozov na ravninnyh uchastkah zheleznyh dorog / A. V. Plaksin, S. V. Shvecov // Izvestiya Transsiba. - Omsk: Omskiy gos. un-t putey soob-scheniya, 2017. - № 1(29). - S. 35-47. Плаксин А. В. Пути повышения энергетической эффективности пассажир-ских электровозов при эксплуатации на равнинных участках железных дорог / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба. - Омск: Омский гос. ун-т путей сооб-щения, 2017. - № 3(31). - С. 43-54. Plaksin A. V. Puti povysheniya energeticheskoy effektivnosti passazhir-skih elektrovozov pri ekspluatacii na ravninnyh uchastkah zheleznyh dorog / A. V. Plaksin, S. V. Shvecov // Izvestiya Transsiba. - Omsk: Omskiy gos. un-t putey soob-scheniya, 2017. - № 3(31). - S. 43-54. Гетьман Г. К. Еще раз об определении экономии электроэнергии на тягу за счет частичного отключения тяговых двигателей электроподвижного состава / Г. К. Гетьман, В. Е. Васильев // Наука та прогрес транспорту. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. - Днепропетровск, 2013. - Вип. 5(47). - С. 47-55. Get'man G. K. Esche raz ob opredelenii ekonomii elektroenergii na tyagu za schet chastichnogo otklyucheniya tyagovyh dvigateley elektropodvizhnogo sostava / G. K. Get'man, V. E. Vasil'ev // Nauka ta progres transportu. Vіsn. Dnіpropetr. nac. un-tu zalіzn. transp. іm. akad. V. Lazaryana. - Dnepropetrovsk, 2013. - Vip. 5(47). - S. 47-55. Саблин О. И. Снижение избыточной мощности тягового средства в процессе движения / О. И. Саблин, В. В. Артемчук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 6/8(60). - С. 34-37. Sablin O. I. Snizhenie izbytochnoy moschnosti tyagovogo sredstva v processe dvizheniya / O. I. Sablin, V. V. Artemchuk // Vostochno-Evropeyskiy zhurnal peredovyh tehnologiy. - 2012. - № 6/8(60). - S. 34-37. Сорокин С. В. Расчет потерь в тяговых двигателях постоянного тока в широ-ком диапазоне регулирования / С. В. Сорокин // Электромеханика. - 1990. - № 7. - С. 46-49. Sorokin S. V. Raschet poter' v tyagovyh dvigatelyah postoyannogo toka v shiro-kom diapazone regulirovaniya / S. V. Sorokin // Elektromehanika. - 1990. - № 7. - S. 46-49. Шаговик А. Е. Двухуровневая система управления асинхронным тяговым приводом локомотива / А. Е. Шаговик // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2005. - № 1. - С. 60-65. Shagovik A. E. Dvuhurovnevaya sistema upravleniya asinhronnym tyagovym privodom lokomotiva / A. E. Shagovik // Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya. - 2005. - № 1. - S. 60-65. Знакомьтесь: электровоз 2ЭС5С // Локомотив. - 2018. - № 8. - С. 35-37. Znakom'tes': elektrovoz 2ES5S // Lokomotiv. - 2018. - № 8. - S. 35-37. Электровозы 2ЭС5С и 3ЭС5С: асинхронная тяга под флагом России // Техни-ка железных дорог. - 2020. - № 1(49). - С. 10-13. Elektrovozy 2ES5S i 3ES5S: asinhronnaya tyaga pod flagom Rossii // Tehni-ka zheleznyh dorog. - 2020. - № 1(49). - S. 10-13. Попов Д. И. Научные основы создания энергоэффективных методов и средств испытаний электрических машин / Д. И. Попов. - Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2019. - 175 с. Popov D. I. Nauchnye osnovy sozdaniya energoeffektivnyh metodov i sredstv ispytaniy elektricheskih mashin / D. I. Popov. - Omsk: Omskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya, 2019. - 175 s. Зарифьян А. А. Сокращение расхода электроэнергии грузовыми магистраль-ными электровозами 2(3)ЭС5С при работе в энергоэффективном режиме по итогам эксплуатационных испытаний / А. А. Зарифьян, М. А. Шрайбер // Бюллетень результа-тов научных исследований. - 2022. - Вып. 4. - С. 7-23. - DOI: 10.20295/2223-9987-2022-4-7-23. Zarif'yan A. A. Sokraschenie rashoda elektroenergii gruzovymi magistral'-nymi elektrovozami 2(3)ES5S pri rabote v energoeffektivnom rezhime po itogam ekspluatacionnyh ispytaniy / A. A. Zarif'yan, M. A. Shrayber // Byulleten' rezul'ta-tov nauchnyh issledovaniy. - 2022. - Vyp. 4. - S. 7-23. - DOI: 10.20295/2223-9987-2022-4-7-23. URL: https://tmholding.ru/products/gruzovye/elektrovozy-peremennogo-toka-seriya-2es5s-3es5s/. URL: https://tmholding.ru/products/gruzovye/elektrovozy-peremennogo-toka-seriya-2es5s-3es5s/.