Влияние линейного тягового электропривода и магнитного подвеса на сферы применения и эффективность левитирующего наземного транспорта

Бесконтактное наземное движение на основе широкого применения автоматики высокого уровня, магнитного подвеса и ЛТЭП уже стало основой создаваемого левитирующего наземного транспорта [15, 20, 22, 92, 93]. Для таких транспортных систем, с одной стороны, характерны отсутствие загрязнений окружающей среды и предельное ограничение шума, незначительная потребность в полезных земельных площадях; защита ландшафта и гармоническая пригонка к нему и к инфраструктуре установок. С другой стороны, они должны обеспечить: экономичность; краткосрочность поездок, позволяющих однодневные поездки на расстояния до 1000 км с нахождением в пути не более 4 ч; краткие сроки ожидания; свободу выбора времени отъезда, обеспеченную частыми рейсами и коротким сроком обслуживания; максимальную безопасность; оптимальный комфорт езды по удобству и обслуживанию при соразмерной плате за проезд.

Выбор и определение основных направлений и дальности для такой системы зависит от многих факторов. Он должен производиться с учетом возможной перспективы развития народного хозяйства, а также ряда технико-экономических условий. На основе технико-экономических исследований НТМП были установлены основные сферы возможного его применения, диапазон максимальных скоростей движения и ожидаемая вместимость экипажей. Для высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) дальность транспортирования должна быть в пределах 100<5<:2000 км, диапазон максимальной скорости 300<н<600 км/ч, а вместимость - от 75 до 120 пассажиров. Для транспорта «город - аэропорт» эти параметры соответственно ограничены: 5<100 км, 250<н<350 км/ч и 704-120пасс. Пригородный транспорт целесообразен при 5 < 100 км, и = = (1804-200) км/ч и вместимости экипажа 70-100 пасс., а городской при 5<50 км/ч, 80<н<120 км/ч и вместимости 40-80 пассажиров.

Оптимальную скорость движения целесообразно выбирать с учетом выигранного времени при движении с разной скоростью на различных по расстоянию фиксированных участках пути, время движения для которых может быть определено по формулам:

при нс<;555 км/ч

1 = 0,08+ 0,33+ (5-0,33^ +8,5); (1.9)

при нс/>555 км/ч

1 = 0,08 + 0,67+(5-168), (1.10)

где нс - средняя скорость движения экипажа; 5 - фиксированная длина участков маршрута.

Вычисления по (1.9) и (1.10) показывают, что увеличение скорости свыше 480 км/ч незначительно уменьшает время поездки /, что дает основание установить оптимальный диапазон скоростей в пределах 380-480 км/ч.

Для БЭПС каждого назначения существует своя оптимальная скорость движения, которая аналитически может быть най дена, если приравнять производную общих приведенных затрат С(н), зависящих от скорости, к нулю:

В качестве ограничивающих условий могут быть взяты, например, стоимость одного пассажирского места в экипаже еа (руб/ч) и полезная нагрузка ап (пасс./т). Детальный выбор средней скорости движения БЭПС и рациональной сферы его применения должен производиться комплексно с учетом разносторонних экономических, социологических, градостроительных и технических исследований, условий и требований.

На основе отечественных и зарубежных исследований НТМП рекомендуется БЭПС, в зависимости от сфер его применения, разрабатывать на базе подсистем магнитного подвеса: с комбинированной- для транспорта: городского и пригородного с максимальной скоростью не более 160 км/ч; ЭМП- городского и пригородного со скоростями до 250 км/ч; город - аэропорт - до 300 км/ч; междугородного пассажирского сообщения - до 400 км/ч; ЭДП - междугородного сообщения со скоростями 400-500 км/ч. Перспективные возможности имеются и по использованию бесконтактного движения на основе магнитного подвеса и ЛТЭП для внутризаводского транспорта: цехового, складского, конвейерного и др. Сведения о созданных системах НТМП приведены в табл. 1.1 и 1.2. Общая вместимость поезда

1.1. Созданные объекты бесконтактного наземного транспорта с магнитной левитацией

Экипаж

Системы

Тип

Длина м

Масса, т

МПиН

ЛТЭП

ч, к

* я-

Е 2 Э *

о о. л

^ с

Я

м р

*4

Комет

8,5

8,8

ЭМП

Ракетная тяга

500

401,3

-

1,3

Трансрапид-04

15,0

18,5

ЭМП

ЛСТЭД

35

223

-

2,4

Трансрапид-05

26,2

36,0

Совмещенная си-

105

75

68

0,91

Трансрапид-06

54,0

130,0

стема с длинным

85

400

200

31,5

Трансрапид-ЕМС

64,0

160,0

статором ЛСТЭД

-

499

240

-

ЕЕТ-02

12,5

14,0

ЭДП

спов

УЛЕТЭД

28

180

-

1,0

тзт-ог

6,84

1,8

ЭМП

ОЛАТЗД

3,8

100

8

1,0

тзт-оз

23,2

-

ЭМП

ОЛАТЗД

-

300

80

1,6

НБЗТ-коммердеский

21,8

27

ЭМП

ОЛАТЭД

-

300

120

6,0

М1.-500

13,5

10

ЭДП

ЛСТЭД

45

500

-

7,0

МЬи-ОО!

13,0

10

ЭДП

СПОВ

-

500

-

7,0

Примечание. Экипажи Комет, Трансрапид и ЕЕТ созданы в Германии; НЭЭТ, МЦ, МШ - в Японии.

Системы

Транспортная система

Габаритные размеры экипажа, м

МПнН .

лтэд

ин, км/ч

Ыр, пасс.

Трансурбан

6X2X3

ЭМП

ОЛАТЭД

12

М-Бан

12,5X2,3X2,3

ПМ,

ЛСТЭДФ

50

72

Астроглид

--

(колеса)

ЛАТЭД

58

25

Ромаг

-•

ЛАТЭД

56

-

Бирмингем

6X2,25X3,3

ЭМП

ЛАТЭД

40

29

Торонто

(проект)

13X2,4

эдп

ЛСТЭД*

120

50

* С постоянным магнитом.

зависит: от сопротивления движению, приходящегося на одно пассажирское место; затрат времени пассажиров; затрат на содержание поездных бригад; коэффициента заполнения подвижного состава; длины приемоотправочных путей и станций; мощности системы электроснабжения. При оптимизации вместимости пока что существует тенденция к ее увеличению как за счет каждого экипажа, так и числа экипажей в составе [32, 92]. На рис. 1.16 видно, что в общем случае область эффективного использования БЭПС должна ограничиваться кривыми изменения постоянных транспортных расходов 1 и энергозатрат 2, а также скорости 3, ниже которой применение НТМТ нецелесообразно.

В целом при решении задачи обеспечения заданной поездной работы (пассажирской или грузовой) каждая из рассмотренных перспективных систем бесконтактного наземного транспорта различного целевого назначения может быть реализована на базе различных технических решений и в первую очередь электротехнических систем, поскольку масса и стоимость корпуса экипажа для всех сфер применения могут быть уравнены. Следует исходить из стремления обеспечить такие требования, как: низкие себестоимость и материалоемкость; небольшие эксплуатационные расходы и масса части привода, устанавливаемой на подвижном составе; высокие технологичность изготовления и монтажа, тягово-энергетические показатели и надежность систем; передача энергии на экипаж с минимальными энергетическими и механическими потерями; наименьшее воздействие на окружающую среду.

Характерная область эффективного применения НТМП

Рис. 1.16. Характерная область эффективного применения НТМП

Накопленный опыт исследований по проблеме НТМП позволяет достаточно четко определять требования к критериям оптимизации собственно элементов электротехнических подсистем, в частности тяги и магнитного подвеса. Однако с позиций системного подхода к их созданию и оценке вариантов систем для БЭГТС НТМП в целом этого недостаточно [68, 18, 22].

В этом случае сравнение альтернативных вариантов возможно только по внешним параметрам системы, к которым относятся в первую очередь приведенные затраты 3, руб/(пасс-км), удельные энергозатраты на транспортирование WyA (кВт-ч)1 (пасс-км) и полезная нагрузка экипажа ап, nacc./т при фиксированных значениях пассажиропотока Пп, пасс./год, расстояние транспортирования S, км, и заданная вероятность безотказной работы р при установленном сроке службы ТС11,У.

Принятые внешние параметры обусловливают представление внутренних параметров в виде совокупности параметров: удельных массовых т4 (кг/кВт; кг/кН), мощностных qt (кВ-•А/кН), энергетических тц, cos cpj, вероятностей безотказной работы pi и стоимостных показателей подвижной и неподвижной (соответственно Ci 1 и С12, руб/кВт, руб/(кВ-А), руб/кН) частей электротехнических систем (при определении массовых и стоимостных показателей в качестве базисной принимается полезная мощность ЛТЭД). В свою очередь, каждый из указанных внутренних параметров может быть представлен в виде совокупности независимых переменных конструктивных и электромагнитных параметров, например в виде полинома или другой аппроксимирующей зависимости с учетом принятой системы охлаждения. На основе обозначений внешних параметров систем наземного транспорта (3 - Dь Wya-D2\ а„ = П3; p=DA\ Tc„.yl=D5-, S = D6; nn - Df, S = D8), внутренних (массовых trii-Xi, мощностных qi-yu энергетических г),¦ = ?/,¦; cos фi = f:, надежности /?,-) и стоимостных (Си и С{2) формальное математическое описание системы в целом может быть представлено в виде [131:

Анализ структурной схемы электротехнического оборудования БЭПС, например, по рис. 1.2 показывает целесообразность разбиения его на подсистемы с укрупненным выделением элементов (табл. 1.3).

1.3. Основные показатели элементов и подсистем электротехнического оборудования БЭПС

Показатели

Подсисте мы

Элементы

массовые

МОЩНОСТ-

ные

энергетиче ские

СТОИМОСТЬ

надеж ность

лтэп

лтэд

mi

Т]ь COS ф]

Сц, С12

Р1

СУ

т2

<72

Т]2

С21, С22

Р*

эм

та

<7з

COS ф3

Си, С32

Рз

СУ

?4

-

Сц

Р4

ЭМИ

ЭМ

ть

<75

COS ф5

Сц, С52

Ръ

СУ

тб

<7б

-

Сб,

Рь

Элек троснаб

жение

Электрооборудование на экипаже

т7

Си

Рт

То же во внешней

сети

Шц

<78

Па

Сз1

Рз

Определяющими внешними параметрами системы наземного транспорта при наложенных ограничениях на ?>4-?>8 являются -Л3, каждый из которых служит в общем случае функцией внутренних (в данном случае п=8) параметров:

Л'2,..., Хп, Уу, У2,---, Уп, Сц, Су2,

021, С22,..., Спу, Сп2, Ру, ^2,..,, РпУ,

02{Ху, х2,..., х„, уь у2,..., у„,..., Ру, р2,..., рпу,

03и Х2,..., Хп, Уу, У2,..-, уп,..., Ру, р2,..., рп).

В конечном счете предпочтение отдается тому варианту, который обеспечивает максимум эффективности подсистемы уэ, являющейся целой функцией:

тэА=уэ(А, ?>2.-, А»)- О-12)

В качестве уэ может быть, например, выбрана линейная комбинация параметров Л1,...,Лт или их обратных величин с весовыми коэффициентами, установленными путем экспертных оценок. Представляется очевидным преимущество варианта, обеспечивающего минимум ?>1 при максимальном Л3.

При совмещении функций, например, тяги и подвеса число внутренних параметров уменьшается, что благоприятно отражается на показателях системы в целом. Однако несмотря на воз можность значительного уменьшения рабочего зазора, необходимо учесть ухудшение показателей ЛТЭД как следствие дробления установленной мощности и недоиспользования последнего по тяговым возможностям (при отношении нормального усилия к тяговому /7 Н/-Рт> 15-^25).

При известных ОСНОВНЫХ показателях подсистем (пи, Г),-, соэф,-, рг, Сц, С^г) электротехнического оборудования экипажа наземного транспорта конкретного целевого назначения сопоставление конкурентоспособных технических решений может быть реализовано на базе следующего алгоритма.

На первом этапе, исходя из заданного пассажиропотока и ожидаемой расчетной вместимости экипажа, определяется ориентировочная расчетная масса экипажа Мэ.р, его конфигурация, геометрические размеры и ожидаемые сопротивления движению 2К, которые при известных заданных значениях номинальной скорости Vн, ускорения на участках разгона ар, расстояния на участках разгона Ьр и расстояния транспортирования, в свою очередь, являются исходными для расчета основных внешних параметров системы.

Так, в частности, ожидаемая полезная нагрузка экипажа где ?1 - расчетная масса пассажира с багажом (?1 = 0,1 т1 пасс.); Рк=Мкэ.р - отношение массы корпуса и механической части Мк к расчетной массе экипажа Мв.рк~0,Зч-0,4); рэ 0=2Л4э.0/Мэ.р - отношение суммарной массы системы электротехнического оборудования к расчетной массе экипажа.

Основной расчетный параметр рэ.0 в выражении (1.13) определяется суммарной массой систем электротехнического оборудования, которую в соответствии с предложенным вариантом записи относительных показателей (см. табл. 1.1) удобно представить в виде суммы произведений соответствующих удельных массовых на выходные мощностные или силовые показатели:

где Яи1=2/г СРрт>н- номинальная полезная мощность двигателя, кВт; - суммарное сопротивление движению при из вестной скорости а,,, кН; - установленная мощность управления (преобразователя) с учетом перегрузки ЛТЭД при разгоне:

F3=gMэ.pKз - усилие подвеса, кН; ?-ускорение свободного падения, м/с2; Кз- коэффициент, учитывающий увеличение подъемного усилия электромагнита подвеса для компенсации Сторонних возмущающих факторов в длительном режиме (Кз «1,35); 54 -суммарная мощность, потребляемая системой управления электромагнита, кВ-А; р5=ёМэ.рКъ - усилие поперечной стабилизации, кН; Кв - коэффициент для электромагнита направления, аналогичный Кз', 5е- суммарная мощность, потребляемая системой управления ЭМН, кВ-А; 25 - суммарная мощность, передаваемая через подвижный контакт на экипаж, кВ-А или кВт (в зависимости от рода тока).

Для известного значения {5э.о находят полезную нагрузку экипажа ап и, следовательно, его расчетную вместимость Л1Р.

Удельные энергозатраты систем электротехнического оборудования при известной зависимости сопротивления движению от скорости ЁКс„(и) и заданном расчетном ускорении могут быть определены [69] с учетом где № - суммарная энергия, потребляемая системами электротехнического оборудования.

С учетом участков разгона, времени движения между остановками ідВ и энергетических показателей элементов системы суммарная потребляемая энергия, кВт-ч,

№з-Г7 определяются произведением соответствующих удельных мощностных параметров на время движения между остановками ^ДВ.

Удельные энергозатраты Гуд в значительной мере определяют эксплуатационные затраты проектируемой системы, и если принять в первом приближении равными для всех сравниваемых вариантов затраты на ремонт и обслуживание, то предпочтительнее будет вариант, имеющий минимальное значение Гуд. При нахождении энергетических затрат на перемещение БЭПС достаточно свести задачу к поиску механической работы

(1.15)

(1.16)

где

по преодолению различных сил сопротивления движению экипажа или поезда Шс.д, определяемой произведением последней на пройденный путь при переменной скорости V, т. е.

Определение зависимостей №ул от заданного ускорения при фиксированных номинальной скорости V и расстоянии между остановками состава целесообразно выполнять для различных вариаций указанных параметров (рис. 1.17). Анализ рис. 1.17 показывает, что удельные энергозатраты в значительной степени определяются принятыми ускорением, номинальной скоростью, а также расстоянием между остановками.

В связи с тем, что с ростом ускорения одновременно снижается путевое время ^дв, становится очевидной необходимость в рекомендации рациональных ускорений на основе соответствующих расчетов технико-экономической эффективности системы в целом, что при отсутствии прецедентов представляется сложной задачей. Частное решение в данном случае соответствует условию равенства приращения стоимости энергии ДСо,, уменьшению стоимости путевого времени ДС( при изменении заданного ускорения:

На рис. 1.18 видно, что условию (1.17), выполненному при стоимости 1 кВт-ч энергии и 1 ч свободного времени, равных соответственно 0,01562 и 1,0 руб., при различных и„ соответст-

Рис. 1.18. Зависимости значений АС* и ДС( от ускорения:

1-5 - при 0Н. равной соответственно 80, 100, 111, 125 н 139 м/с; сплошные кривые - ДСаДв); штриховые - АС,(д)

Ркс. 1.19. Зависимость оптимального ускорения Оопт от номинальной скорости движения Он

вуют конкретные ускорения й1-а5. Для конкретных скоростей движения и„ оптимальное ускорение а0т определяется зависимостью, приведенной на рис. 1.19, из которой видно, что с увеличением скорости оптимальное ускорение аОПт уменьшается.

По известным стоимостным показателям (С;) и вероятностям безотказной работы (р<) элементов аналогичным образом путем перемножения соответствующих относительных показателей на входные параметры с использованием найденных выше п и Шуя могут быть найдены приведенные затраты на системы электротехнического оборудования 3, руб/(пасс.-км) и вероятность их безотказной работы р^р3ад по известным выражениям [32].

Предложенный алгоритм позволяет достаточно просто определить в общем виде искомые внешние параметры проектируемой системы на базе известных внутренних параметров систем электротехнического оборудования и тем самым упрощает процедуру сравнения различных технических решений.

На следующем этапе могут определиться вид математического представления внутренних параметров (гп;, gi, С* и т. д.) и их подстановка в выражения (1.13) - (1.16).

Определив в окончательном виде целевую функцию (1.12) в зависимости от вида математической модели внутренних н внешних параметров, можно выбрать метод оптимизации. Задача может быть решена при создании математических моделей всех подсистем, включающих несколько внешних параметров системы (например, скорость), но в основном собственные внутренние, по возможности учитывая максимальное число параметров и особенностей каждого элемента. Это позволит в дальнейшем составить обобщенную математическую модель практически для всех возможных технических решений.

Глава 2

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ТЕОРИИ СИСТЕМ МАГНИТНОГО ПОДВЕСА БЭПС

Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей ЛТЭД | Транспорт с магнитным подвесом | Электромагнитные и кинематические схемы систем ЭМП