Proceedings of Petersburg Transport University Proceedings of Petersburg Transport University Известия Петербургского университета путей сообщения 1815-588X 2658-6851 72399 10.20295/1815-588X-2023-4-987-998 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Energy Consumption Quality Indicators in Collector and Asynchronous Traction Drives of AC Electric Locomotives Показатели качества потребления энергии в коллекторном и асинхронном тяговых приводах электровозов переменного тока Зарифьян Александр Александрович Zarif'yan Aleksandr Aleksandrovich zar.plgrph@gmail.com

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Евстафьев Андрей Михайлович Evstaf'ev Andrey Mihaylovich evstam@mail.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 Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Russian Federation 17 12 2023 17 12 2023 20 4 987 998 17 12 2023 https://atjournal.ru/en/nauka/article/72399/view

Цель: Провести экспериментальное исследование показателей качества потребления электрической энергии для серийно выпускаемых грузовых электровозов переменного тока 2(3)ЭС5К с коллекторным тяговым приводом и электровозов 2(3)ЭС5С с асинхронным тяговым приводом, дать их сопоставление и сравнительный анализ. Методы: Приведены основные технические характеристики коллекторного ТЭД НБ-514Е и асинхронного ТЭД ДТА-1100. Предложена схема измерений напряжения и тока на сетевой обмотке трансформатора. Мониторинг параметров выполнен непосредственно на электровозах с помощью специального метрологического оборудования. Обработка экспериментальных данных основана на разложении исходного сигнала на гармонические составляющие при помощи быстрого преобразования Фурье (FFT). Результаты: Получены параметры гармоник напряжения и тока, сдвиг фаз, а также значения активной и реактивной мощностей соответствующих гармоник. Выполнен анализ спектрального состава напряжения и тока. Сравнительный анализ результатов, полученных для электровозов с коллекторным и асинхронным тяговыми приводами в режиме тяги, показал, что коэффициент мощности составляет 0,65 и 0,99 соответственно; а коэффициент нелинейных искажений тока — 0,53 и 0,15. Сделан вывод о гораздо более высоком качестве потребления электрической энергии в асинхронном тяговом приводе. Практическая значимость: Основываясь на полученных конкретных значениях показателей качества потребления электрической энергии в коллекторном и асинхронном тяговых приводах в режиме тяги, можно перейти к получению экономических оценок перевода локомотивного парка ОАО «РЖД» на электровозы нового поколения серии 2(3)ЭС5С.

Purpose: To conduct an experimental study of the indicators of electrical energy consumption quality for serially produced freight electric locomotives of alternating current 2(3)ES5K with a collector traction drive and electric locomotives 2(3)ES5S with an asynchronous traction drive, to provide their comparison and comparative analysis. Methods: The main technical characteristics of the collector traction electric drive (TED) NB-514E and asynchronous TED DTA-1100 are presented. A measurement scheme for voltage and current on the power winding of the transformer is proposed. The monitoring of parameters has been carried out directly on electric locomotives using specialized metrological equipment. The processing of experimental data is based on decomposing the original signal into harmonic components using Fast Fourier Transform (FFT). Results: Parameters of voltage and current harmonics, phase shifts, as well as the values of active and reactive power of the corresponding harmonics have been obtained. An analysis of the spectral composition of voltage and current has been performed. Comparative analysis of the results obtained for electric locomotives with collector and asynchronous traction drives in traction mode has shown that the power factor is 0.65 and 0.99, respectively; and the coefficient of non-linear current distortions is 0.53 and 0.15. A conclusion has been drawn regarding significantly higher quality of electrical energy consumption in the asynchronous traction drive. Practical significance: Based on the specific values of the indicators of electrical energy consumption quality in collector and asynchronous traction drives in traction mode, it is possible to proceed to obtaining economic assessments for the transition of the locomotive fleet of Russian Railways (JSCo “RZD”) to nextgeneration electric locomotives of the 2(3)ES5S series.

 Грузовой электровоз переменного тока коллекторный тяговый привод асинхронный тяговый привод экспериментальное исследование качества потребления электрической энергии Freight alternating current electric locomotive collector traction drive asynchronous traction drive experimental study of the quality of electrical energy consumption

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: Technical 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: Technical 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. URL: https://ar2019.rzd.ru/ru/appendices. URL: https://ar2019.rzd.ru/ru/appendices. Дубровский З. М. Электровозы ВЛ60к и ВЛ60пк / З. М. Дубровский, Л. М. Лорман. - М.: Транспорт, 1993. - 400 с. Dubrovskiy Z. M. Elektrovozy VL60k i VL60pk / Z. M. Dubrovskiy, L. M. Lorman. - M.: Transport, 1993. - 400 s. Николаев А. О. Устройство и работа электровоза BЛ80с / А. О. Николаев, Н. В. Сесявин. - М.: Маршрут, 2006. - 512 с. Nikolaev A. O. Ustroystvo i rabota elektrovoza BL80s / A. O. Nikolaev, N. V. Sesyavin. - M.: Marshrut, 2006. - 512 s. Осинцев И. А. Устройство, эксплуатация и ремонт электровозов серии 2ЭС5К / И. А. Осинцев, А. А. Логинов. - М.: ОАО «Российские железные дороги», 2014. - 465 с. Osincev I. A. Ustroystvo, ekspluataciya i remont elektrovozov serii 2ES5K / I. A. Osincev, A. A. Loginov. - M.: OAO «Rossiyskie zheleznye dorogi», 2014. - 465 s. Никитенко А. Г. Математическое моделирование динамики электровозов / А. Г. Никитенко, Е. М. Плохов, А. А. Зарифьян и др. - М.: Высшая школа, 1998. - 274 с. Nikitenko A. G. Matematicheskoe modelirovanie dinamiki elektrovozov / A. G. Nikitenko, E. M. Plohov, A. A. Zarif'yan i dr. - M.: Vysshaya shkola, 1998. - 274 s. Литовченко В. В. Математическая модель коллекторного тягового электродвигателя / В. В. Литовченко, Д. В. Кокорин, Д. В. Назаров // Электротехника. - 2014. - № 8. - С. 22-29. Litovchenko V. V. Matematicheskaya model' kollektornogo tyagovogo elektrodvigatelya / V. V. Litovchenko, D. V. Kokorin, D. V. Nazarov // Elektrotehnika. - 2014. - № 8. - S. 22-29. Литовченко В. В. Имитационная модель электровоза постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями / В. В. Литовченко, Д. В. Назаров,  В. А. Шаров  // Электротехника. - 2019. - № 9. - С. 60-66. Litovchenko V. V. Imitacionnaya model' elektrovoza postoyannogo toka s kollektornymi tyagovymi dvigatelyami / V. V. Litovchenko, D. V. Nazarov,  V. A. Sharov  // Elektrotehnika. - 2019. - № 9. - S. 60-66. Ягуп В. Г. Математическое моделирование электропривода электровоза 2ЭЛ5 в режиме тяги / В. Г. Ягуп, А. А. Краснов // Збірник наукових праць Українського державного університету залізничного транспорту. - 2017. - Вип. 170. - С. 20-31. Yagup V. G. Matematicheskoe modelirovanie elektroprivoda elektrovoza 2EL5 v rezhime tyagi / V. G. Yagup, A. A. Krasnov // Zbіrnik naukovih prac' Ukraїns'kogo derzhavnogo unіversitetu zalіznichnogo transportu. - 2017. - Vip. 170. - S. 20-31. Kolpakhchyan P. Systems Approach to the Analysis of Electromechanical Processes in the Asynchronous Traction Drive of an Electric Locomotive / P. Kolpakhchyan, A. Zarifian, A. Andruschenko // Rail Transport - Systems Approach. Studies in Systems, Decision and Control. - 2017. - Vol 87. Springer, Cham. - DOI: 10.1007/978-3-319-51502-1_3. Kolpakhchyan P. Systems Approach to the Analysis of Electromechanical Processes in the Asynchronous Traction Drive of an Electric Locomotive / P. Kolpakhchyan, A. Zarifian, A. Andruschenko // Rail Transport - Systems Approach. Studies in Systems, Decision and Control. - 2017. - Vol 87. Springer, Cham. - DOI: 10.1007/978-3-319-51502-1_3. Власьевский С. В. Сравнение энергетической эффективности тягового электропривода электровозов переменного тока на основе коллекторных и асинхронных двигателей / С. В. Власьевский, B. A. Кучумoв, В. Г. Щербаков // Электротехника. - 2017. - № 9. - С. 72-78. Vlas'evskiy S. V. Sravnenie energeticheskoy effektivnosti tyagovogo elektroprivoda elektrovozov peremennogo toka na osnove kollektornyh i asinhronnyh dvigateley / S. V. Vlas'evskiy, B. A. Kuchumov, V. G. Scherbakov // Elektrotehnika. - 2017. - № 9. - S. 72-78. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / Л. А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2007. - 701 с. Bessonov L. A. Teoreticheskie osnovy elektrotehniki. Elektricheskie cepi / L. A. Bessonov. - M.: Gardariki, 2007. - 701 s. Chen W. K. The Electrical Engineering Handbook / W. K. Chen. - Academic Press, 2004. - 1018 p. Chen W. K. The Electrical Engineering Handbook / W. K. Chen. - Academic Press, 2004. - 1018 p. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности электровозов переменного тока / А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2013. - № 1. - С. 22-30. Evstaf'ev A. M. Povyshenie energeticheskoy effektivnosti elektrovozov peremennogo toka / A. M. Evstaf'ev, A. N. Sychugov // Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya. - 2013. - № 1. - S. 22-30. Зак В. В. Перспективные способы повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока / В. В. Зак, С. А. Старовойтов, И. Ю. Мартынюк // Железнодорожный транспорт. - 2022. - № 9. - С. 40-44. Zak V. V. Perspektivnye sposoby povysheniya energeticheskoy effektivnosti elektrovozov peremennogo toka / V. V. Zak, S. A. Starovoytov, I. Yu. Martynyuk // Zheleznodorozhnyy transport. - 2022. - № 9. - S. 40-44. Электровозы 2ЭС5С и 3ЭС5С: асинхронная тяга под флагом России // Техника железных дорог. - 2020. - № 1(49). - С. 10-13. Elektrovozy 2ES5S i 3ES5S: asinhronnaya tyaga pod flagom Rossii // Tehnika zheleznyh dorog. - 2020. - № 1(49). - S. 10-13.