XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Повышение энергоэффективности железнодорожного транспорта является одной из ключевых задач в контексте глобальной экономии ресурсов. На электрифицированных линиях значительный потенциал экономии заключён в использовании кинетической энергии поезда при торможении. Системы рекуперативного торможения, преобразующие эту энергию в электрическую и возвращающие её в контактную сеть, стали стандартом для современных электровозов и электропоездов переменного тока. Однако декларируемый производителями теоретический потенциал экономии на практике реализуется лишь частично. Целью данной работы является анализ факторов, снижающих эффективность рекуперации, и оценка современных методов утилизации возвращённой энергии.

Процесс рекуперации на электровозе переменного тока реализуется за счёт работы тягового преобразователя в инверторном режиме. При этом асинхронные тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а инвертор формирует напряжение, согласованное по фазе и частоте с напряжением контактной сети. Ключевыми техническими ограничениями являются:

1.Минимальный ток рекуперации: 

Для электровозов с системой рекуперативного торможения минимальный ток может быть 350–400 А — при включении рекуперации на скорости, например, с 40 км/ч. Если скорость выше 60–70 км/ч, может потребоваться ток 600 А.

На некоторых электровозах есть ограничение по току — 500 А — больше не допускается, так как система рекуперации может не работать.

• Диапазон устойчивой работы: Возврат энергии возможен только при определённом сочетании скорости движения и момента на валу, что ограничивает зону использования рекуперативного торможения.

• Качество электроэнергии: Высокие гармонические искажения, генерируемые инвертором, могут потребовать установки дополнительных фильтров.

2. Коэффициент рекуперации:

Коэффициент рекуперации (Кр) – отношение энергии, возвращённой в сеть, к энергии, которая могла бы быть рассеяна в тормозных резисторах при данном торможении. Теоретический Кр для современного электровоза достигает 0.8-0.85. Однако фактический сетевой коэффициент полезного действия существенно ниже из-за системных ограничений:

• Наличие нерекупирующих потребителей: В одном плече питания одновременно могут находиться электроподвижной состав с резисторным торможением или дизель-поезда. Их потребление является естественной нагрузкой для рекуперированной энергии. При отсутствии таких потребителей энергия не может быть поглощена.

• Несовпадение графиков движения по времени и месту: Поезд, рекуперирующий на спуске, может не иметь рядом поезда, разгоняющегося на подъёме. Энергия вынуждена передаваться по сети на значительные расстояния, что ведёт к росту потерь.

• Ограничение по напряжению: При малом потреблении в плече и активной рекуперации нескольких единиц электроподвижного состава напряжение в контактной сети может превысить допустимые пределы (например, +10% от номинального). Система управления электровоза при этом автоматически снижает ток рекуперации или отключает её, переводя торможение на резисторы.

В реальных условиях эксплуатации на грузонапряжённых линиях средний Кр редко превышает 0.4-0.5, а на линиях с редким движением может падать до 0.1-0.2.

Проведём сравнительный анализ методов утилизации рекуперированной энергии.

Для повышения степени использования возвращаемой энергии применяются два основных метода:

1.Потребление рекуперированной энергии попутным подвижным составом. Это базовый и наиболее экономичный с точки зрения инфраструктуры способ. Его эффективность прямо пропорциональна плотности движения и степени электрификации подвижного состава в данном плече. Оптимизация графиков движения для максимизации встречных разгонов и торможений может повысить Кр на 10-15%.

2. Накопление энергии в стационарных системах хранения энергии (СНЭ). При недостатке локальных потребителей в сети избыточная рекуперированная энергия может накапливаться в СНЭ, установленных на тяговых подстанциях или критических точках сети. При системном внедрении инновационных технологий и мер, потребление энергии в существующих железнодорожных системах может быть уменьшено примерно на 25–35%, при этом следует отметить, что потенциально наибольший эффект может дать применение различных систем накопления энергии и, в первую очередь, в системах использования рекуперативной энергии торможения . Для этого применяются:

• Маховики: Высокая мощность, долгий срок службы, но низкая энергетическая плотность.

• Суперконденсаторы (ионисторы): Идеальны для частых циклов заряда-разряда с высокой мощностью (например, на участках с частыми остановками).

• Литий-ионные аккумуляторы: Высокая энергетическая плотность, подходят для сглаживания пиков потребления и накопления значительных объёмов энергии.

Накопленная энергия может быть использована для питания ускоряющихся поездов, поддержания напряжения в сети или выдачи во внешнюю сеть. Основной барьер – высокая капитальная стоимость СНЭ и необходимость сложной системы управления.

На основе анализа сформулированы практические рекомендации:

1. Приоритет организационным мерам: Первичной должна быть оптимизация графика движения для группировки рекуперирующих и разгоняющихся поездов в одном плече питания.

2. Поэтапное внедрение СНЭ: Установку стационарных накопителей целесообразно начинать с наиболее проблемных участков – тупиковых станций, длинных спусков с интенсивным торможением, концевых подстанций со слабой сетью.

3. Развитие интеллектуальных систем управления: Внедрение систем прогнозирования и управления энергопотоками в реальном времени (Energy Management Systems) позволит оптимально распределять рекуперированную энергию между потребителями и накопителями.

4. Стандартизация требований: Необходимо развитие нормативной базы, регламентирующей параметры возвращаемой в сеть энергии и стимулирующей её использование.

Рекуперативное торможение является неотъемлемым элементом современного энергоэффективного электровоза. Однако его реальная эффективность определяется не столько совершенством бортовой аппаратуры, сколько состоянием и конфигурацией всей системы электроснабжения. Максимальный энергетический эффект достигается при комплексном подходе, сочетающем оптимизацию эксплуатации, модернизацию инфраструктуры и внедрение систем накопления энергии. Проведённый анализ показывает, что за счёт таких мер возможно повысить долю утилизируемой энергии торможения, что приведёт к значительной экономии финансовых средств и снижению нагрузки на энергосистемы.

Список литературы

1.https://meganorm.ru/mega_doc/norm/rasporyazhenie/1/reglament_po_primeneniyu_elektricheskogo_reostatnogo.html

2. https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2138

3. https://inno-trans.ru/data/documents/IT-39_inet_new.pdf