Особенности схем и конструкции базового электровоза нового поколения

Особенности схем и конструкции базового электровоза нового поколения

Ю.А. ОРЛОВ, генеральный конструктор электровозов Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения (ВЭлНИИ) В.П. ЯНОВ, ученый секретарь научно-технического совета ВЭлНИИ, канд. техн. наук, профессор

Техническим прогресс в различных отраслях техники позволяет создавать новые электровозы с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В мировой практике создание новых электровозов различного назначения в настоящее время осуществляется на единой базовой платформе с использованием большого числа унифицированных узлов, систем и элементов.

Этот же принцип планируется положить в основу создания нового поколения электровозов для железных дорог России. Такой подход позволит сократить сроки создания электровозов, предназначенных для различных видов службы, снизить затраты на подготовку производства новых типов электровозов, уменьшить эксплуатационные расходы. Унифицированными базовыми элементами могут стать тяговые двигатели, силовые преобразователи, преобразователи собственных нужд, аппаратная часть микропроцессорных систем управления, ме-

ханический привод, тележки, связи кузова с тележкой, кабины машиниста с системой обеспечения микроклимата, системы безопасности, системы охлаждения силового оборудования, тормозное оборудование. При этом должна быть обеспечена высокая эксплуатационная надежность электровозов, уменьшены затраты электроэнергии на единицу полезной работы, обеспечены высокий коэффициент готовности, низкие затраты на ремонт не только электровозов, но всей железнодорожной инфраструктуры, обеспечивающей их эксплуатацию (пути, системы энергообеспечения

и др.). В целом, следует минимизировать стоимость жизненного цикла нового поколения электровозов.

Каким должен быть электровоз, который можно было бы рассматривать как прототип для отработки унифицированных модульных блоков электровозов нового поколения?

На магистральных железных дорогах России применяются две системы тока в контактном проводе: 3 кВ постоянного и 25 кВ 50 Гц. В связи с этим естественно, что базовый электровоз должен быть электровозом двойного питания. Действующим типажом на электровозы предусмотрено разделение электровозов по роду службы на грузовые, пассажирские и скоростные [1]. Выбор требуемых параметров электровозов для каждого из этих родов службы может быть произведен исходя из массы поездов и скорости их движения.

Результаты расчета требуемой суммарной силы тяги и мощности электровозов при заданных массах поездов

для некоторых эксплуатационных режимов приведены в табл.1.

Результаты расчетов показывают, что требования эксплуатации могут быть выполнены при применении тягового привода с асинхронным тяговым двигателем (АТД) и статическим преобразователем напряжения. Такой привод позволяет увеличить осевую силу тяги и мощность по сравнению с приводом, в котором использован коллекторный тяговый двигатель постоянного (пульсирующего) тока. Это подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Опыт эксплуатации электровозов ЭП10 показал, что эксплуатационный коэффициент сцепления при применении АТД может быть на 20-30% выше, чем аналогичные показатели электровозов с коллекторными тяговыми двигателями.

Сила тяги зависит от давления от оси на рельс. Номинальная мощность тягового двигателя при различных давлениях от оси на рельс и различных соотношениях расчетных коэффициентов сцепления по отношению к нормируемому «Правилами тяговых расчетов» приведена в табл. 2,3. Из приведенных данных видно, что при давлении от оси на рельс 25 т осевая мощность тягового двигателя грузового электровоза должна быть равна 1100—1200 кВт (по состоянию пути и искусственных сооружений эксплуатация подвижного состава с давлением от оси на рельс выше 25 т, по крайней мере, в ближайшем будущем невозможна).

Требуемая мощность тяговых двигателей пассажирских электровозов нового поколения равна примерно 1400 кВт.

Принципиальным вопросом при выборе конструкции АТД и схемы статического преобразователя является определение числа пар полюсов АТД. Естественно желание иметь, при заданной мощности, АТД с возможно большей максимальной частотой вращения. Это позволяет уменьшить его вес. Но при выборе числа пар полюсов следует учитывать реально существующие ограничения по максимальной частоте вращения подшипников тяговых двигателей, по передаточному отношению тягового редуктора и по величине потерь в статических преобразователях, при которых можно обеспечить их работу с использованием удобных для эксплуатации систем охлаждения. На рис. 1 показаны результаты расчета массы и частоты тока статора в зависимости от частоты вращения при различных схемах статорных обмоток для АТД мощностью 900 кВт

Таблица 1

Расчетные режимы работы электровозов нового поколения

Род службы Масса поезда, т Скорость, км/ч Расчетные режимы

Руководящий уклон, %0 Скорость, км/ч Сила тяги на ободе колеса, кН Мощность навалах ТЭД, кВт

номинальная максимальная

Грузовой 6000 50 120 29 0 1865 -

50 1850 26260

Пассажирский 1440 80 160 0 160 132 5990

29 0 488 -

Скоростной 1200 100 200 0 200 127 7200

10 0 145 -

Таблица 2. Номинальные параметры тягового двигателя грузового электровоза

Давление на ось, тс Отношение расчетного коэффициента сцепления к нормируемому «РЖД» Скорость, км/ч Сила тяги на ободе колеса, кН Требуемая мощность на валу ТЭД, кВт

25 1 69 980

1,1 76 1080

1,25 87 1235

27 1 50 75 1065

1Д 82 1160

1,25 93 1320

30 83 1180

1,1 91 1290

1,25 104 1475

Таблица 3

Номинальные параметры тягового двигателя пассажирских и скоростных электровозов

Отношение расчетного

Род Нагрузка коэффициента сцепления Скорость, Сила тяги Мощность на

службы на ось, к нормируемому «Прави- км/ч на ободе валу ТЭД,

тс лами тяговых расчетов» колеса, кН кВт

Пассаж. 22,5 1 80 57 1290

1,1 63 1430

1,25 72 1635

Скорост. 21,5 1 100 52 1475

1,1 57 1620

1,25 65 1840

при максимальной скорости электровоза 110 км/ч [2].

Из приведенных характеристик видно, что увеличение максимальной частоты вращения ротора АТД с 2000 об./мин (допустимой для коллекторного тягового двигателя) до 2600 об./мин (допустимой для АТД с одноступенчатой силовой передачей) масса АТД при любой схеме статорной обмотки уменьшается на 20%. Масса АТД при одинаковых мощности и номинальных частотах вращения у восьмиполюсной машины по сравнению с четырехпо-люсной ниже примерно на 25%.

Если пренебречь изменением величины скольжения от нагрузки и считать, что частота вращения ротора пропорциональна частоте тока статора, то при применении восьмиполюсного двигателя эта частота будет практически вдвое

больше по сравнению с четырехполюс-ным двигателем, а потери в статическом преобразователе в номинальном режиме увеличатся при этом на 37%.

Как показал отечественный и зарубежный опыт, с учетом сказанного выше, оправданным компромиссом является применение на грузовых и пассажирских электровозах шестиполюсных АТД с короткозамкнутым ротором и статорной обмоткой, соединенной в звезду. Характеристики современных полупроводниковых приборов большой единичной мощности позволяют при этом создать статический преобразователь напряжения с приемлемыми габаритами и весом.

Тяговые расчеты показывают, что для вождения поездов весом 6000 т с технической скоростью около 50 км/ч и руководящим уклоном 10%о, необходима си-

Рис.1. Зависимость характеристик АТД от частоты вращения ротора. К^ — отношение максимальной частоты вращения ротора к номинальной.

ла тяги около 700 кН. Такая сила тяги на участках, электрифицированных на переменном токе 25 кВ 50 Гц, может быть получена при применении двенадцати-осного электровоза с коллекторными тяговыми двигателями (осевая мощность около 800 кВт) и восьмиосного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями (осевая мощность 1200 кВт) при нагрузке на ось не меньше 27 т.

Силовая схема и система управления должны обеспечивать поосное регулирование момента тяговых двигателей.

Одним из больших преимуществ электрической тяги является возможность на определенное время (при тро-гании с места, преодолении подъемов) перегрузить тяговые двигатели. На грузовых электровозах с коллекторными тяговыми двигателями постоянного (пульсирующего) тока тяговые расчеты выполняются исходя из того, что тяговый двигатель может быть перегружен по току в полтора раза по сравнению с часовым режимом. При этом, учитывая, что постоянная времени нагрева тяго-

Таблица 4

Характеристики АИН

Наименование схемы К-во модулей Транзист./диод Шт Режим работы Максим, потери в модуле Вт Максим, потери в АИН Вт Величина пульсац. по моменту, %

Двухуровневая на ЮВТ Р260(Ж65КБ( (Два модуля в плече) 12/- Ном.реж, 2,8кВ 594 7128 -

ПВШИМ 900Гц, 2,8кВ 1075 12900 12,9

ПВШИМ 900Гц, 4 кВ 1686 20232 -

Трехуровневая ва ЮВТ СМ900НВ90Н (Один модуль в плече) 12/6 Ном.реж, 2,8кВ 415 5066 -

ПВШИМ 900Гц, 2,8кВ 804 8628 6,85

ПВШИМ 900Гц, 4 кВ 1327 12774 -

Трехуровневая на ЮВТ МВШ200033 (Один модуль в плече) 12/6 Ном.реж, 2,8 кВ 505 6212 -

ПВШИМ 900Гц, 2,8кВ 737 9312 6,85

ПВШИМ 900Гц, 4 кВ 1103 13128 -

вых двигателей на несколько порядков выше, чем постоянная времени нагрева питающих их полупроводниковых преобразователей, номинальная мощность преобразователей устанавливается равной кратковременно допустимой мощности тяговых двигателей. Представляется, что этот же принцип должен быть сохранен при конструировании статического преобразователя электровоза с АТД. Это обеспечит трогание поезда после вынужденной остановки на сложном профиле, сократит время разгона поезда после остановки или проезда участков с ограничением скорости.

Опыт эксплуатации электровозов ЭП10, у которых допустимый уровень перегрузки преобразователя по току равен 1,05, показал, что отсутствие возможности кратковременно работать при токах двигателей, превышающих номинальные, создает в эксплуатации затруднения, преодоление которых требует больших дополнительных затрат.

Базовый статический преобразователь электровоза переменного тока должен состоять из входного 4qS выпрямителя и автономного инвертора напряжения (АИН). В этом случае обеспечивается высокий коэффициент мощности электровоза практически во всем диапазоне нагрузок. На электровозе постоянного тока в качестве входного преобразователя для регулирования напряжения и его стабилизации можно использовать импульсный регулятор. Преобразователь должен быть создан с применением ЮВТ-транзисторов большой единичной мощности.

Инвертор напряжения при достигнутом уровне полупроводниковых приборов может быть выполнен двухуровневым или трехуровневым (рис. 2). Характеристики таких преобразователей приведены в табл. 4 [3].

Анализ показывает, что максимальные потери в модулях и суммарные в преобразователе в трехуровневом АИН меньше, чем в двухуровневом, что открывает возможность применить воздушное охлаждение для трехуровневого силового преобразователя вместо жидкостного, неизбежного для двухуровневого. Это обстоятельство должно стать решающим при выборе схемы АИН, особенно если учесть специфические условия эксплуатации, имеющие место на железных дорогах России, несмотря на то, что за счет применения диодных пробок число полупроводниковых приборов в трехуровневом АИН будет больше (при этом

снижаются требования к классу полупроводниковых приборов).

Трехуровневый АИН обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость электровоза с железнодорожной инфраструктурой. При применении трехуровневого АИН пульсации момента на валу АТД снижаются в два раза по сравнению с двухуровневым. При применении преобразователей с трехуровневой схемой повышается их надежность.

Трехуровневая схема статического преобразователя применена на двух-системном электровозе типа 1822 австрийских железных дорог [4]. Целесообразность применения для питания АТД электроподвижного состава трехуровневых АИН подтверждает и опыт фирмы Н1ТТАСН1 [5].

Имея ввиду, что действующий типаж электровозов предусматривает создание четырех-, шести- и восьмиосных электровозов, целесообразно базовой для перспективных электровозов принять двухосную тележку.

Применение трехосной тележки для шестиосного электровоза нарушает принцип конструирования электровозов на базе единой платформы и ведет к увеличению расходов на содержание пути, т.к. теоретические исследования и экспериментальные данные показывают, что уровень нагруженности путевой структуры и элементов механической части локомотивов, фактор износа

набегающих колес, обуславливающий подрез гребня бандажа и степень повреждения боковой поверхности рельса в кривых, меньше у тележек, имеющих минимальную жесткую базу [6]. У трехосных тележек жесткая база примерно в 1,3—1,5 больше, чем у двухосных. В связи с этим, при одинаковых скоростях и давлениях от оси на рельс фактор износа в контакте колесо—рельс у трехосной тележки в зависимости от радиуса кривой больше на 10—30% за счет увеличения угла набегания колеса на рельс.

Сравнительные испытания электровозов ЭП10 (колесная формула 2о-2о-2о) и ЧС4Т (колесная формула 3о-3о) показали, что рамные силы, характеризующие воздействие электровоза на путь, у электровоза ЧС4Т при движении на прямых участках пути и в кривых в диапазоне рабочих скоростей в 1,2-1,7 раза больше, чем у ЭП10. При этом следует иметь ввиду, что давление от оси на рельс у ЭП10 равно 22,5 т, а у ЧС4Т — 21 т. Фактор износа у электровоза ВЛ65 (колесная формула 2о-2о-2о) ниже, чем у электровоза ВЛ60К (колесная формула 3о-3о) при прохождении кривых радиусом 650 м со скоростью 100 км/ч на 70%, а кривых радиусом 350 м со скоростью 60 км/ч — 43%.

По данным депо Белогорск Забайкальской железной дороги, в 2006 г. при вождении пассажирских поездов одинакового веса, по одинаковому распи-

санию, по одному и тому же участку и при примерно одинаковых пробегах число обточек бандажей колесных пар электровозов ВЛ60К в два раза больше, чем у электровозов ВЛ65 и ЭП1. На Северо-Кавказской и Дальневосточной дорогах на участках со сложным горизонтальным профилем эта разница будет более значительной.

Двухосная тележка имеет меньший момент инерции относительно вертикальной и горизонтальной осей, что уменьшает динамическое воздействие на путь.

Трехосные тележки более металлоемкие, чем двухосные. Например, суммарная масса ходовой части электровоза ЭП10 по сравнению с электровозом ЭП2К (колесная формула 3о-3о) меньше почти на 3 т. При применении трехосной тележки более металлоемким становится и кузов.

Следует признать, что применение трехосных тележек облегчает решение вопросов с расположением оборудования, особенно при создании тепловозов.

На базе унифицированной двухосной тележки фирма Бомбардье создала семейство грузовых шестиосных и четырехосных пассажирских постоянного и переменного тока и многосистемных электровозов для работы при напряжениях в контактном проводе 1,5 и 3,0 кВт постоянного тока и 25 кВ 50 Гц и 15 кВ, 162/3 Гц переменного (технологическая платформа ТЯАХХ). Тележки всех типов электровозов и способ опи-рания на них кузова унифицированы, что обеспечивает, например, взаимозаменяемость тележек грузового шести-осного электровоза типа F140 и пассажирского четырехосного электровоза типа Р160 [7,8].

Использованием трехосных тележек нарушается принцип единых унифицированных платформ по силовым трансформаторам и статическим преобразователям. В этом случае понадобится преобразователь, способный по мощности питать три тяговых двигателя вместо двух. При этом снижается уровень фильтрации гармоник сетевого тока, нарушающих работу железнодорожных систем безопасности, сигнализации и управления. Чтобы компенсировать это на электровозах постоянного тока с трехосными тележками понадобится применить дополнительный фильтр.

По оценке специалистов фирмы «Бомбардье» при применении двухосных тележек унификация оборудования узлов грузовых шестиосных и пас-

сажирских четырехосных электровозов составит 65%, а при использовании для шестиосных пассажирских электровозов трехосных тележек — только 45%. Целесообразность применения двухосных тележек для поколения новых электровозов подтверждают и специалисты РЖД [10].

Силовая передача, как и предусмотрено типажом, должна быть 1 класса для грузовых электровозов (опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей и редуктора) и 3 класса для пассажирских (опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей и редуктора). Применение АТД даже с опорно-осевым подвешиванием снижает воздействие электровоза на путь за счет его меньшей массы при большей мощности по сравнению с коллекторным (коллекторный тяговый двигатель НБ-520В пассажирского электровоза ЭП1 при мощности 800 кВт имеет массу 3500 кг, а асинхронный НТА—1200 электровоза ЭП10 при мощности 1200 кВт — 2600 кг).

Опирание кузова на тележку целесообразно осуществить с помощью опор типа «Флексикойл», а передачу тяговых и тормозных усилий с тележки на кузов — с помощью наклонных тяг.

Шестиосный экипаж, выполненный с применением двухосных тележек, позволяет улучшить использование сцепного веса за счет применения более длинных наклонных тяг. Все это стало основанием для того, чтобы двухосные тележки применить на шестиосных секциях грузовых электровозов ВЛ85 и

ВЛ15 и на шестиосных пассажирских электровозах ВЛ65 и ЭП1.

Система вспомогательных машин электровозов как переменного, так и постоянного тока должна строиться на применении трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкну-тым ротором при питании их от специального преобразователя числа фаз и частоты. При этом, с целью экономии электроэнергии и повышения надежности следует предусматривать возможность регулирования частоты вращения вентиляторов, охлаждающих силовое оборудование, в зависимости от температуры нагрева и плавный пуск вспомогательных машин.

Системы торможения и другие системы безопасности, кабины машиниста, устройства защиты должны обеспечивать выполнение действующих требований по безопасности, санитарных правил и эргономических норм.

Представляется, что изложенные здесь принципы должны быть положены в основу схемы и конструкции электровоза двойного питания ЭП20 с АТД и проверены в процессе испытаний опытного образца этого электровоза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю.А. Бахвалов, Г.А. Бузало, А.А. Зарифьян, П.Г. Колпахчьян, П.Ю. Петров, Л.Н. Сорин, В.П. Янов; под ред. А.А. Зарифьяна.— М.: Маршрут, 2006. — 374 с.

2. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом / Ю.А. Бахвалов, А.А. Зарифьян, В.П. Кашников, П.Г. Колпахчьян, Е.М. Плохов, В.П. Янов. — М.: Транспорт. — 2001. — 286 с.

3. Колпахчьян, П.Г. Исследования трехуровневого инвертора напряжения электровозов постоянного тока с регулированием методом ПВШИМ / П.Г. Колпахчьян, К.Н. Суслова, В.П. Янов. — С.-Петербург. — Известия Петербургского ун-та путей сообщения, вып. 2(11). — 2007. — С. 170—172.

4. Sachenhofer J. Class 1822 dual-system locomotive exemplifies the development of a new generation of Abstion electric locomctives / J. Sachenhofer, C. Studnicku // Eisenbahnwesen und Verkerstechik, 1991— Vol. 115. — №7—8. — S. 213—217.

5. Дубиня В.А. Опыт приемочных и эксплуатационных испытаний электрооборудования электропоезда ЭД6 и вагонов метро // Вестник ВЭлНИИ: науч. изд. / ОАО «Всеросс. н.-и., прое-ктно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»). — Новочеркасск, 2007. — №2 (54). — С. 49—62.

6. Шестаков В.И. Влияние основных параметров экипажной части грузовых локомотивов на уровень силовой нагруженности пути // Вестник ВНИИЖТ. — 2005. — №8. — С. 40—43.

7. Vitins J.Neue Technologien for Lokomotiven und Hochgeschwindigkeits — Trieb^pfe Elektrische Bahnen. — 2006. — №5. — S. 249—256.

8. Витинс Ю. Современные технологии для локомотивов и моторных вагонов / Ю. Витинс. М. Бушеч. — Железные дороги мира. — 2007. — №9. — С. 39—47.

9. Киржнер Д.Л. Требования к новому тяговому подвижному составу // Железнодорожный транспорт. — 2007. — №8. — С. 13—14.