Унифицированный комплекс электрооборудования пассажирских вагонов

Проблематика транспортных систем

71

5. Электрические разряды в воде / К. А. Наугольных, Н. А. Рой. -М.: Наука, 1971. - 155 с.

6. Переходные процессы при высоковольтном разряде в воде / Е. В. Кривицкий, В. В. Шамко. - Киев: Наукова думка, 1979. - 208 с.

7. Динамика элетровзрыва в жидкости / Е. В. Кривицкий. - Киев: Наукова думка, 1986. - 208 с.

8. Компьютерные модели электромагнитных технологий / И. М. Карпова, В. В. Титков. - СПб.: СПГТУ, 1999. - 255 с.

9. Метод повышения КПД электрогидравлических установок / К. К. Ким, Н. А. Колосовская // Вестник Петербургского государственного университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2006. - Вып. 3. - 140 с.

10. Применение электрогидравлического эффекта для механизации трудоём-ких процессов в строительстве / А. Г. Рябинин, Г. Н. Гаврилов, Г. А. Рябинин, Ю. Д. Хромой, Б. Э. Годес. - Л.: ЛДНТП, 1985.

11. К теории развития канала импульсного электрического разряда в жидкой среде / В. В. Арсентьев // В кн.: Сб. докл. IV Межвуз. конф. по пробою диэлектриков и полупроводников. - Томск, февраль 1963. - М.; Л.: Энергия, 1964. - С. 199-206.

12. Научные основы разрядноимпульсных технологий / Г. А. Гулый. - Киев: Наукова думка, 1990. - 208 с.

13. Исследование лучистого теплообмена в двигателях и элементах летательных аппаратов с диатермическими системами охлаждения: дис. ... канд. техн. наук / В. Н. Друлис. - Казань: Казанский авиационный институт, 1973. - 117 с.

УДК 629.45.064:3

Ю. И. Комаров

УНИФИЦИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

Существует научная и техническая новизна при разработке современного электрооборудования вагонов локомотивной тяги. Новизна заключается в выборе перспективной структуры электрооборудования, определении и разработке унифицированного ряда модулей и блоков, применимых как для вагоностроительной промышленности, так и для вагоноремонтных предприятий, обеспечивающих капитальновосстановительный ремонт и модернизацию пассажирских вагонов. Новым является и стремление обеспечить интересы эксплуатирующих организаций - безопасность перевозки пассажиров и минимизацию затрат на техническую эксплуатацию пассажирских вагонов.

вагон, структура электрооборудования, унификация, модульная комплектация электроснабжения.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

72

Проблематика транспортных систем

Введение

В действующем парке около 30 типов пассажирских вагонов, в которых используется свыше 350 схемных решений их электрооборудования. При этом значительная и особенно энергоемкая часть пассажирских вагонов пополнялась по импорту. Среднее значение годового потребления энергии в купейном вагоне с кондиционированием воздуха и электрическим отоплением стало достигать 160 000 кВт-ч, что привело к годовым эксплуатационным издержкам по этой статье расхода от 240 до 500 тыс. руб. на вагон в зависимости от варианта электроснабжения.

Поэтому существует научная и техническая новизна в стремлении обеспечить интересы эксплуатирующих организаций и разработать перспективное электроснабжение вагонов в условиях неблагоприятного прогноза стоимости энергоносителей на мировом рынке и в России. Разработка должна начинаться с определения унифицированного ряда модулей и блоков, применимых как для вагоностроительной промышленности, так и для вагоноремонтных предприятий [1], [2].

1 Унифицированное электроснабжение отечественных пассажирских вагонов и основные постулаты его разработки

Конкурентоспособным и универсальным электроснабжением отечественных пассажирских вагонов может явиться унифицированный комплекс, в котором используются электромашинный генератор с приводом от оси колесной пары или статический блок электроснабжения (высоковольтный преобразователь или трансформаторно-выпрямительная установка) и аккумуляторная батарея для питания низковольтных потребителей, а также высоковольтная поездная магистраль для питания высоковольтных потребителей.

Основными постулатами разработки унифицированного электрооборудования для пассажирских вагонов должны стать:

1) специальное исполнение с учетом особых требований подвижного состава железных дорог;

2) блочно-модульное исполнение, пригодное для применения в любой модели пассажирского вагона;

3) наличие высоковольтной и низковольтной частей, включающих в свой состав: комплекс электроснабжения, функциональные группы потребителей электрической энергии, а также устройства управления и диагностики;

4) разделение функций электроснабжения и электропотребления, а также наличие вагонной сборной шины, являющейся связующим звеном между устройствами электроснабжения и потребления и стабилизированной основным источником напряжения бортовой сети DC 110 B;

5) использование в качестве основного источника:

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

73

а) либо электромашинного генератора с приводом от оси колесной пары,

б) либо статического высоковольтного преобразователя,

в) либо трансформаторно-выпрямительной установки;

6) инвариантность электрооборудования вагона к виду и типу аккуму-ляторной батареи, размещаемой в специальных отапливаемых и вентилируемых боксах;

7) использование автоматического зарядного устройства вагонной ак-кумуляторной батареи;

8) подзарядка аккумуляторной батареи во время технического обслуживания от стационарного источника питания 3/N AC 380 B, 50 Гц как индивидуально на вагоне, так и при любом числе вагонов в пассажирском составе;

9) выполнение низковольтной поездной магистрали для использования 3/N/PE AC 380B, 50 Гц и DC 110 B;

10) исполнение электронных устройств в виде конструкционных модулей (блоков):

а) управления, защиты и системной автоматики,

б) контроля и диагностирования,

в) обеспечения безопасности перевозок,

г) автономного инвертора DC 110 B /AC 220 B, 50 Гц;

11) использование энергосберегающих технологий и оборудования для потребителей электроэнергии.

Синтез унифицированной базовой структуры отечественного электрооборудования целесообразно провести с учетом кодировки, применяемой для пассажирских вагонов, например постройки ОАО «Тверской вагоностроительный завод», и кодировки комплексов электроснабжения пассажирских вагонов, используемой в настоящее время (рис. 1).

Структура электрооборудования пассажирского вагона при различных вариантах электроснабжения может быть:

# ЭПВ.00.00 - унифицированное базовое электрооборудование (рис. 2);

# ЭПВ.01.00 - комплекс автономного электроснабжения с отбором энергии от оси колесной пары (рис. 3);

# ЭПВ.02.00 - комплекс централизованного электроснабжения от вагона-электростанции с дизель-генераторными установками (рис. 4);

# ЭПВ.03.00 - комплекс централизованного электроснабжения от магистрали 3000 В (рис. 5);

# ЭПВ.04.00 - комплекс комбинированного электроснабжения от генератора с приводом от оси колесной пары и высоковольтной поездной магистрали 3000 В (рис. 6);

# ЭПВ.05.00 - комплекс централизованного электроснабжения от вагона-подстанции и высоковольтной поездной магистрали 3000 В (рис. 7);

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

74

Проблематика транспортных систем

# ЭПВ.06.00 - комплекс централизованного электроснабжения от тепловоза с дополнительным генератором (рис. 4).

Кодировка вагона: ^ Модель вагона

ЭПВ.00.00.0000.00.00.00

Электрооборудование ^

пассажирских

вагонов_______________________

0 - унифицированное,

1, 2, 3, 4, 5, 6 - специальное

Вариант электроснабжения:

1 - автономный

2 - централизованный от

вагона-электростанции

3 - централизованный от

ВПМ с установкой БЭВ

4 - комбинированный

5 - централизованный от

ВПМ и вагона-подстанции

6 - централизованный от

тепловоза

Конструктивные особенности электрооборудования

Кодировка генерального поставщика электрооборудования

Рис. 1. Кодировка комплексов электроснабжения пассажирских вагонов

Во всех комплексах электроснабжения применяется раздельный способ использования основного и резервного источников электрической энергии, что позволяет обеспечить стабилизированное питание низковольтных потребителей за счет регулирования по возбуждению электромашинного генератора или по управлению статического преобразователя. Кроме того, основной источник освобождается от функции зарядного устройства вагонной аккумуляторной батареи [3].

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

75

Х1

Х2

Х3

Высоковольтные потребители Н и з к о в о л ь т н ы е п о т р е б и т е л и

Рис. 2. Структурная схема базового унифицированного электрооборудования

вагона ЭПВ.00.00

На рисунке обозначено:

ВПМ - высоковольтная поездная магистраль Х1-Х6 1/N DC/AC 3 кВ; ОКП - ось колесной пары;

НПМ - низковольтная поездная магистраль Х7-Х10;

А1 - ящик с аппаратурой для подключения электрооборудования вагона к ВПМ;

А2 - ящик с аппаратурой и трансформаторно-выпрямительной установкой для подключения электрооборудования вагона к НПМ и к основному источнику вагона;

А3 - зарядное устройство вагонной аккумуляторной батареи;

А4 - пульт управления;

А5 - статический высоковольтный преобразователь;

G - электромашинный генератор;

GB - аккумуляторная батарея.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

76

Проблематика транспортных систем

Н и з к о в о л ь т н ы е п о т р е б и т е л и

Рис. 3. Структурная схема автономного электроснабжения вагона с отбором энергии от оси колесной пары

Н и з к о в о л ь т н ы е п о т р е б и т е л и

Рис. 4. Структурная схема централизованного электроснабжения от вагона-электростанции с дизельгенераторными установками

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

77

Высоковольтные Н и з к о в о л ь т н ы е п о т р е б и т е л и потребители

Рис. 5. Структурная схема централизованного электроснабжения вагона от высоковольтной поездной магистрали 1/N DC/AC 3 кВ

Х4

Х5

Х6

ркп

‘ "N

а

нпм

Х7> %У/// f \ Х9

—х^) К

хю

czb4

DC ПО В

•

А4.1 А4.2

потребители

Н и з к о в о л ь т н ы е п о т р е б и т е л и

Рис. 6. Структурная схема комбинированного электроснабжения вагона от высоковольтной поездной магистрали 1/N DC/AC 3 кВ

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

78

Проблематика транспортных систем

Рис. 7. Структурная схема централизованного электроснабжения от вагона-подстанции и высоковольтной поездной магистрали 1/N DC/AC 3 кВ

Зарядку аккумуляторной батареи обеспечивает импульсный статический преобразователь (А3), который автоматически приводится в действие при появлении напряжения DC 110 B в сборной шине вагона от основного источника вагона или после подключения через низковольтную поездную магистраль внешнего источника 3/N AC 380 B, 50 Гц. Блок А3 преобразует напряжение DC 110 B в регулируемое напряжение постоянного тока в пре -делах от 120 до 160 В, корректируемое с учетом вида батареи, температуры электролита и степени заряженности.

2 Модульная комплектация базового комплекса электроснабжения

Модульная комплектация базового комплекса ЭПВ.00.00, позволяющая реализовать различные варианты электроснабжения пассажирского вагона, приведена в таблице.

ТАБЛИЦА. Модульная комплектация вариантов электроснабжения пассажирских вагонов

Комплексы электроснабжения Модульная комплектация

ВПМ НПМ А1 А2 А3 А4 А5 G GB

ЭПВ.00.00 (рис. 2) + + + + + + + + +

ЭПВ.01.00 (рис. 3) + + + + + +

ЭПВ.02.00 (рис. 4) + + + + +

ЭПВ.03.00 (рис. 5) + + + + + + + +

ЭПВ.04.00 (рис. 6) + + + + + + + +

ЭПВ.05.00 (рис. 7) + + + + + + +

ЭПВ.06.00 (рис. 4) + + + + +

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

79

Рассмотрим состояние разработок отечественной промышленности по конструкциям модулей, которые могут войти в данную комплектацию:

ВПМ - может быть использована серийная конструкция;

НПМ - может быть использована серийная конструкции, но в четы-рех-проводном варианте, что создаст пассажирскому вагону новые потребительские свойства:

а) при подготовке вагонов в рейс (ТО-1) появится возможность проводить автоматическую подзарядку аккумуляторных батарей от стационарной сети 3x380 В, 50 Гц одновременно для любого числа вагонов в составе, а не индивидуально для каждого вагона от специальной сети на путях отстоя, как это делается в настоящее время;

б) при отстое в пунктах формирования и оборота появится возможность питания и низковольтного оборудования вагонов пассажирского состава от стационарной сети 3x380 В, 50 Гц;

А1 - может быть использована серийная конструкция, например 2ЯА.042 вагона 41-425 для ЭПВ.04.00 и ЭПВ.05.00 или 2Я.111 вагона 614170 для ЭПВ.03.00;

А2 - может быть использована серийная конструкция, например 2Я.112 вагона 61-470;

А3 - модуль автоматической зарядки вагонной аккумуляторной батареи DC 110 В/Уаг. DC 110.. .160 В - необходима разработка;

А4 - необходима модернизация серийной конструкции, например 2ПУ.078 вагона 61-4170, в том числе:

А4.1 - блок управления, защиты и системной автоматики - необходима разработка;

А4.2 - блок контроля и диагностирования - необходима разработка;

А4.3 - блок технологической безопасности, объединяющий существующие устройства контроля изоляции, контроля нагрева букс и противопожарную сигнализацию, но после необходимой модернизация;

А4.4 - блок автономного инвертора DC 110 (220) B / AC 220 B, 50 Гц -необходима разработка;

А5 - необходима разработка;

G - могут быть использованы серийные конструкции, например 2ГВ.003, 2ГВ.13 и ЭГВ.08;

GB - могут быть использованы серийные аккумуляторы, например ВНЖ250, ТНЖ350, 90КЬ250Р(К). В перспективе целесообразно использование необслуживаемых или малообслуживаемых аккумуляторов, а также подогрева аккумуляторов в боксах (ящиках) вагона в период отопительного сезона, что потребует модернизации боксов (ящиков) для размещения батареи в вагоне.

Функциональные группы потребителей электроэнергии могут применяться в унифицированном электрооборудовании вагона сначала в виде серийных конструкций, а позднее, по мере появления на конкурентной

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

80

Проблематика транспортных систем

технико-экономической основе, и в виде новых энергосберегающих и функционально надежных устройств.

Заключение

Задача создания унифицированного электрооборудования пассажирского вагона не является неразрешимой. Например, из необходимых девяти модулей комплекса семь модулей уже используются отечественной промышленностью, из которых только два нуждаются в модернизации.

Модернизации подлежат пульт управления вагона и боксы для размещения вагонной аккумуляторной батареи. Для пульта необходимо конструктивно модернизировать блок технологической безопасности, объединяющий существующие устройства контроля изоляции, контроля нагрева букс и противопожарной сигнализации. Кроме того, необходима разработка блоков: управления, защиты и системной автоматики; контроля и диагностирования; автономного инвертора DC 110 B / AC 220 B, 50 Гц.

Разработке подлежат два модуля: автоматическое зарядное устройство аккумуляторной батареи и статический высоковольтный преобразователь. В качестве последнего в настоящее время используется преобразователь концерна Siemens, который в лицензионном варианте функционально не пригоден для использования в отечественных вагонах. Разработка модуля статического высоковольтного преобразователя для вагона является насущной необходимостью и помимо настоящих предложений по созданию унифицированного комплекса электроснабжения пассажирских вагонов. Эта разработка обусловлена реализацией федеральной целевой программы «Разработка и производство подвижного состава нового поколения на предприятиях России», одной из целей которой является развитие отечественного вагоностроения с исключением импортной зависимости и создание экспортной базы.

Есть основание полагать, что реализация изложенного подхода позволит создать унифицированный комплекс с вариантом электроснабжения, обеспечивающим на сети дорог минимизацию затрат на потребляемую электрическую энергию с установленной мощностью основного источника 24...28 кВт и коэффициентом полезного действия 0,75...0,8 для пассажирского вагона с кондиционированием воздуха.

Библиографический список

1. Унификация системы индивидуального энергоснабжения пассажирских вагонов / М. Г. Колбаснер, Ю. Н. Кадуба // Железнодорожный транспорт. - 1974. - № 11. -С. 51-53.

2. Модульная система электроснабжения пассажирских вагонов / G. Gramer // Железные дороги мира. - 2000. - № 6. - C. 47-51.

3. Электроснабжение пассажирских вагонов / Ю. И. Комаров. // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2007. - Вып. 1(10). - С. 41-54.

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University