武汉高速铁路职业技能训练段 湖北 武汉 430000
摘要：随着中国高速铁路建设的蓬勃发展,越来越多的动车组投入到快速延伸的高速铁路路网之中,为广大旅客提供快捷舒适的出行体验。然而,动车组作为高铁运输系统中的主要耗能设备,其能耗已对运输成本产生重要影响,动车组运营节能问题日益突出。节能运行控制策略是发挥动车组节能、安全、准时等服务水平的关键所在,通过优化动车组列车运行工况,可以最大限度地降低列车能耗。
关键词：动车组；能耗；节能技术
1动车组的受力与运行方式对能耗的影响
1.1动车组受力分析
根据牛顿定律,动车组运行时的受力原理可推算出当动车组运行速度达到200km/h时,空气阻力占运行阻力的80%,并且随速度的增加呈抛物线式快速增加。
1.2动车组运行方式
动车组在运行时,其运行方式将受到主观和客观因素影响。主观因素包括动车组运行速度、运行时间、启停次数、司机操作方式、辅助系统工作方式等由运营部门和动车组操作者根据运行图和司机操作规范等文件决定的因素;客观因素包括由动车组线路限速(曲线半径、坡道坡度等原因)、临时限速(天气、线路施工等原因)、分相区数量和位置等不可抗力决定的因素。
仿真计算表明:动车组运行速度、站间距和启停次数对动车组能耗有明显的影响,动车组能耗随着运行速度的提高而增加,站间距越长动车组的能耗越低,频繁的启停将降低动车组牵引传动系统的利用率,导致动车组能耗增加。
2动车组固有参数对能耗的影响
为研究动车组固有参数对能耗的影响,对动车组牵引传动系统效率、质量、运行阻力(动车组基本运行阻力取:F阻力1=3.3+0.0466v+0.000915v2)、辅助系统能耗与动车组能耗的关系进行仿真计算分析。模拟动车组从0开始满牵引力启动,在速度达到350km/h时保持恒速运行,在到达终点前转最大电制动减速直至停车(根据制动力特性计算确定施加最大电制动的位置),接触网网压为27.5kV,不考虑环境、分相区位置和线路限速对动车组的影响。仿真计算时动车组主要约束参数见表1。
2.4辅助系统能耗和动车组能耗关系
辅助系统能耗主要为空调系统能耗、充电机系统能耗、照明系统能耗以及其他系统能耗的总和,其能耗值均为定值且与动车组的运行速度呈现弱相关性,因此随着动车组运行速度的增加,辅助系统的能耗在动车组总能耗中的比例快速下降并保持稳定,比重小于2%,其变化量对总能耗的变化影响不大。
2.5结论
通过动车组牵引传动系统效率、质量、运行阻力、辅助系统能耗与动车组能耗关系的仿真计算结果可以发现:
(1)提升牵引传动系统效率可显著地降低动车组的能耗,原因是在牵引传动系统效率提升后动车组能够将牵引功率损耗降低,进而降低网端功率,减少能耗;
(2)降低动车组质量和运行阻力是降低能耗最有效的途径;
(3)辅助系统能耗在动车组进入高速段后保持稳定,其变化对整个动车组能耗影响不明显。
3新技术对能耗的优化分析
根据动车组牵引传动系统的构成,影响牵引传动系统效率的主要因素有:齿轮传动装置效率、牵引电动机效率、牵引变流器效率和主变压器效率。因此,可将新型的电力电子变压器技术、变流器技术和永磁电动机技术应用到动车组中,提升牵引传动系统效率;同时,采用新型材料技术和降阻技术降低动车组的质量和运行阻力,优化动车组的能耗。
3.1新型电力电子变压器技术
传统的动车组变压器质量通常在4t左右,占单车质量的8%～12%,效率在96%左右。新型电力电子变压器与传统变压器相比,最大区别是将变压器技术和电力电子变流技术融合在一起,不仅能够实现变压器的小型化和轻量化,同时具备更高的效率(97%)和效率质量比值。
3.2新型变流器技术
牵引变流器质量通常在4t左右,占单车质量的10%左右,效率在97%左右。在工程实践中,可以利用碳化硅材料禁带宽度高、泄露电流小、导热率高、导通损耗小、耐电压性和耐电流性高等特性,将碳化硅材料和变流器中的功率器件IGBT配套使用,在提升变流器功率和效率的同时,也能够实现变流器的小型化和轻量化。
3.3永磁电动机技术
牵引电动机单个质量在1t左右,与传统异步牵引电动机相比较,永磁同步电动机因其结构的特殊性,具有功率密度高、转化效率高、响应速度快的特点,在提升电动机效率的同时,质量能够降低30%,体积减小10%。
3.4新型材料技术
据统计,内装材料的质量占单车质量的15%,碳纤维、超高强度钢等技术目前正在逐步进入商业化应用中,同时,轻质金属、纳米陶瓷纤维等新技术也在不断取得新的进展,因此可以在内装零部件(车内、车窗、桌椅和其他内饰等)的设计和制造过程中应用以上新型材料,实现整车减重的目的。
3.5降阻技术
在动车组的运行阻力中,空气阻力在高速段占据了超过80%的比重,因此可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前沿新型降阻技术(电弧流通控制降阻)降低空气阻力。优化前后的能耗仿真计算结果见表2。
注:动车组质量和运行阻力按照降低5%的指标进行仿真,其他约束条件不变。
根据表2的仿真计算结果发现,提升牵引传动系统效率、减轻动车组质量和降低运行阻力可显著地降低动车组的能耗(降低约16%)。
结论
动车组在节能控制策略下的运行能耗较之最短运行时间能耗及司机操作运行能耗显著降低,节能运行控制策略切实有效。由此可见,依据运行区间限速、坡度等线路参数,结合动车组所具有的最大牵引、匀速、惰行及最大制动运行方式,优化动车组运行控制策略,能够在基于列车准点约束条件下生成列车节能运行控制曲线,最大限度降低动车组运行能耗;此外,节能运行控制策略可供从事动车组自动节能驾驶或辅助节能驾驶系统设计人员参考。
参考文献
[1]王青元,冯晓云.列车准点节能运行的控制工况最优切换研究[J].中国铁道科学,2016,37(2):92-94.
[2]丁勇,毛保华,刘海东.等.定时约束条件下列车节能操纵的仿真算法研究[J].系统仿真学报,2018,16(10):2241-2244.
作者简介：杨腾 男 1992 汉 湖北省武汉市 大专 技师 武汉动车段驻武汉高速铁路职业技能训练段驻段培训师
论文作者:杨腾
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
标签：车组论文; 阻力论文; 效率论文; 变流器论文; 质量论文; 节能论文; 技术论文; 《科学与技术》2019年第03期论文;