Режим тяги высокой эффективности

Газета «Гудок», №83 – 21 мая 2015 г.
Станислав Власьевский, профессор ДВГУПС, д.т.н.
- В феврале этого года мне довелось участвовать в научно-техническом семинаре, который проходил на базе Иркутского государственного университета путей сообщения. Основной темой дискуссий стал вопрос, который сегодня волнует конструкторов, машиностроителей, эксплуатационников: а, собственно, каким должен быть грузовой электровоз нового поколения, каким требованиям он должен отвечать и какие для этого параметры необходимо заложить уже на стадии конструирования? Вопросы очень серьёзные и значимые. А если к ним добавить ещё и экономику, то понимаешь, что настало время пересмотреть многие ранее разработанные и принятые концепции.

На мой взгляд, достаточно интересные и перспективные разработки в области создания современных электровозов переменного тока с коллекторным приводом сегодня ведут молодые учёные кафедры «Электроподвижной состав» Иркутского госуниверситета путей сообщения. 

Сегодня на магистральных железных дорогах России остро стоят проблемы повышения надёжности, безопасности и энергосбережения при вождении грузовых поездов большой массы и длины электровозами переменного тока. В связи с этим хочется проанализировать те возможности наших грузовых электровозов переменного тока, которые бы могли решать эти проблемы. На протяжении последних 40 лет нашей отечественной промышленностью выпущен целый ряд грузовых электровозов переменного тока (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ80ТК, 2(3,4)ЭС5К – «Ермак»). Однако затраты электроэнергии на тягу поездов у данных электровозов достаточно большие, что является следствием невысоких их энергетических показателей (коэффициентов мощности и полезного действия). В номинальном (лучшем) режиме они не превышают величины 84 из 100%. С такими показателями сегодня уже нельзя мириться. 

Последние 25–30 лет учёные и специалисты ряда научно-исследовательских и учебных заведений ведут исследования с целью повышения эффективности эксплуатации указанных электровозов, в том числе и их энергоэффективности. Однако большого прорыва долгое время не наблюдалось. И только года 3–4 назад появились результаты значительного повышения энергетических показателей этих электровозов благодаря научно-исследовательским работам, проведённым в ИрГУПСе и ДВГУПСе. 

Как известно, движение грузовых поездов на сети железных дорог осуществляется на достаточно низких скоростях (в диапазоне 40–70 км/ч) из-за наличия на ряде участков сложного профиля пути с большим количеством подъёмов и кривых, значительного количества временных и постоянных ограничений скорости движения поездов. Для учёта этих условий грузовому электровозу необходимо иметь мягкие тяговые характеристики, когда сила тяги локомотива меняется обратно пропорционально скорости его движения. Причём эти характеристики желательно приближать к виду квадратичной зависимости, когда уменьшение скорости вдвое приводит к увеличению силы тяги в четыре раза и т.д. Такими характеристиками обладают только коллекторные тяговые двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением (коллекторный привод), у которых сила тяги изменяется в квадратичной зависимости от тока якоря в большей части диапазона регулирования скорости. У этих локомотивов определяющим является параметр силы тяги, а не скорости движения, как, например, для пассажирских электровозов и электропоездов. Исходя из этого для пассажирских электровозов и электропоездов оправданно применение асинхронных двигателей трёхфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором (асинхронного электропривода), тогда как для грузовых электровозов, которые эксплуатируются с пониженными скоростями движения, предпочтительнее применять коллекторный привод. Эта особенность грузовых электровозов определяет требования к тяговому электроприводу. Доказано, что асинхронный привод на мощных грузовых электровозах проигрывает коллекторному приводу как по энергетике, так и по реализации тяговых характеристик на пониженных скоростях. 

Для повышения энергоэффективности электровозов переменного тока с коллекторным приводом группой молодых учёных ИрГУПСа предложены новые технические решения. Так, для повышения коэффициента мощности, а следовательно, и меньшего потребления энергии на тягу поездов был разработан новый преобразователь на IGBT, в котором транзисторы включены последовательно с диодами. В этом преобразователе с помощью нового алгоритма управления его транзисторными плечами и оригинальной новой системы управления были достигнуты высокие энергетические показатели. Коэффициент мощности в режиме тяги, начиная от 0,7 первой зоны и до конца четвёртой зоны, во всём диапазоне регулирования держится на уровне 96%. Такой преобразователь по массогабаритным показателям может быть установлен как на ранее существующих, так и на новых электровозах «Ермак». Новая элементная база позволяет перейти к индивидуальному питанию каждого двигателя от отдельного преобразователя. Это позволит решить вопрос распределения тока по тяговым двигателям, поосного регулирования силы тяги и торможения без потери сцепления, а также осуществить поосную пескоподачу, что снизит расход песка. 

Надо иметь в виду, что практически все предлагаемые технические решения были апробированы на математических моделях, на стендах и на электровозе ВЛ80Р. Во всех случаях подтверждена адекватность процессов. Исследования учёных ДВГУПСа и ИрГУПСа, которые проводились ещё в 2003–2010 годах, были подтверждены опытной эксплуатацией электровозов ВЛ80Р на Дальневосточной, Восточно-Сибирской и Красноярской железных дорогах. Экспериментальные исследования на стенде мощностью 20 кВт показали следующие результаты. Транзисторный преобразователь позволяет увеличить на 20% напряжение на тяговых двигателях и на 10% величину выпрямленного тока. Это означает, что электровозы, оснащённые транзисторными преобразователями, будут иметь большую силу тяги. 

Таким образом, предлагаемые технические решения являются значительным научным и практическим достижением, при их внедрении они позволят электровозам работать в режимах тяги и рекуперативного торможения с высокими энергетическими показателями и повышенной надежностью.