Ермак должен стать лучшим в мире электровозом!
Ю.В. ГАЗИЗОВ,
канд. техн, наук, начальник отдела новой техники Дирекции тяги — филиала ОАО «РЖД»
О.В. МЕЛЬНИЧЕНКО,
д-р техн, наук, заведующий кафедрой «Электроподвижной состав» ИрГУПС
С 2003 г. на Восточный полигон железных дорог начали поступать _ электровозы переменного тока серий ЭП и 2(3)ЭС5К «Ермак» в целях замены отработавших свой ресурс электровозов и пополнения локомотивного парка, состоявшего тогда из электровозов переменного тока серии ВЛ. В настоящее время их поставлено около 2 тыс. ед.
Этому предшествовало более 10 лет резкого падения поставок.
Например, в 1989 г. было закуплено 1010 локомотивов, в 1993 г. — 75, в 1997 г. — только 10. Такая ситуация не могла не отразиться на техническом развитии отрасли, в том числе и на наличии высококвалифи- — цированных кадров.
И лишь с 2000-х годов началось восстановление утраченных позиций, что привело к созданию новых образцов локомотивов. Следует отметить труд конструкторов, а также активную деятельность руководства МПС и в дальнейшем ОАО «РЖД» по созданию новой техники в кратчайшие сроки. При этом в конструкцию данных локомотивов были заложены современные устройства. Например, новым шагом __ стало внедрение микропроцессорной системы управления, что обеспечило повышение эффективности, надежности локомотивов, безопасности движения поездов.
Грузовые электровозы с коллекторным тяговым приводом исто- — рически подтвердили свою эффективность в сложных условиях эксплуатации и холодного климата. Это электровозы, которые получали постоянное эволюционное развитие. Наличие мягких тяговых и тормозных характеристик позволяет осуществлять (в зоне низких и — средних скоростей движения грузового поезда по трудному профилю пути) регулирование силы тяги с сохранением ее максимальных значений путем снижения скорости до допустимой величины. Это является очень важным фактором, дающим возможность электровозам преодолевать подъемы большой крутизны (например, на горном профиле пути). Сегодня именно эти локомотивы составляют основу перевозочного процесса на российских железных дорогах. , Прогнозы долгосрочного социально-экономического развития России предполагают достаточно устойчивый рост, и ситуация с формированием объемов перевозок на Восточном полигоне подтверждает такие тенденции. Это соответствующим образом отразится на — развитии транспорта и, в особенности, на тяговом обеспечении вождения грузовых поездов, потребует от локомотивного комплекса повышать свою эффективность.
Последние 10 лет проводится целенаправленная работа, связанная с совершенствованием конструкции электровозов 2(3)ЭС5К «Ермак», с повышением их технико-экономических показателей и надежности. Результатом стало приведение показателей готовности и безотказности локомотивов к величинам, заложенным в технических условиях, а также повышение эффективности применения этих электровозов на жизненном цикле, включая эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт.
Примерами данной работы может стать серийное применение новых материалов, современных систем управления, моторно-осевых подшипников качения (внедрение которых позволило увеличить периодичность технического обслуживания до 240 ч, а также снизить — воздействие на экологию), улучшение динамики экипажа (например, подвешивание кузова пружинами Флексикойл). Ставится вопрос об увеличении периодичности проведения текущего ремонта в объеме ТР-3 и заводских видов ремонта с учетом текущего состояния и прогнозируемого ресурса оборудования электровоза. Общие тенденции развития конструкции электровоза «Ермак» показаны на рис. 1.
В 2016 г. на Восточно-Сибирской дороге проведены успешные тягово-энергетические испытания электровоза ЗЭС5К № 484 с поос- ным регулированием силы тяги, которые подтвердили возможность вождения грузовых поездов массой 6300 т на участке БАМа Тайшет — Таксимо.
С этого года начнется изготовление модификации электровозов ЗЭС5К с применением преобразователя ВИП-4000Д с диодным разрядным плечом в цепи выпрямленного тока по проекту специалистов Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) — победителей конкурса «Новое звено». Это повысит энергетические показатели и надежность работы электровоза, улучшит его электромагнитную совместимость с тяговой сетью.
Таким образом, приобретая технику на десятилетия, ОАО «РЖД», учитывая развитие промышленности, поощряет применение перспективных инновационных технологий и оборудования при изготовлении и проведении заводских видов ремонта. Ключевые принципы при формировании перспективных технических требований — это надежность, эффективность и автоматизация управления.
Вместе с тем, следует отметить, что принципы работы всех серий электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями остаются практически без изменений. Сегодня на российских железных дорогах все эксплуатируемые электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями по своим энергетическим показателям не отвечают современным требованиям.
Так, одним из основных энергетических показателей работы электровоза, характеризующих качество и объем потребляемой им электроэнергии, является коэффициент мощности. В настоящее время электровозы при работе не соответствуют требованиям ГОСТ Р 55364-2012 «Электровозы. Общие технические требования», согласно которым коэффициент мощности должен быть не менее 0,9.
По сути, до сих пор имеем в некотором смысле энергетически «дырявый» электровоз с сохранением значительных электрических потерь.
Следует акцентировать, что внедрив современные системы управления, мы ответили на вопрос: чем управлять? Принципы же регулирования напряжения и силы тока на современных отечественных электровозах переменного тока с тиристорными преобразователями остаются без изменений уже около 50 лет. Ключевой вопрос: как управлять — остается открытым.
Кроме того, в настоящее время основными существенными недостатками преобразователя электровоза являются его морально устаревшая полууправляемая тиристорная элементная база и принципы ее управления в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Специалисты Дирекции тяги совместно с учеными кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС продолжают активно решать задачи, поставленные Стратегией развития транспортного машиностроения Компании. В связи с совершенствованием в мире силовых полупроводниковых приборов появляется возможность значительно снизить затраты электрической энергии на тягу поездов и получить другие существенные преимущества работы электровоза в части управления и диагностики.
В рамках этих решений, учитывая прогрессивные технологии, инициирован проект электровоза ЗЭС5КМ с выпрямительно-инверторным преобразователем, выполненным на базе IGBT- транзисторов в таблеточном исполнении (изготовленных по технологии PressPack), а также разработанных и апробированных новых алгоритмов их управления.
В прошлом, в 70-х годах, разработчики уже проходили аналогичный этап в развитии преобразовательной техники при переходе от диодных выпрямителей к преобразователям, выполненным на по- лууправляемых тиристорах. Это позволило создать выпрямительноинверторный преобразователь (ВИП) с плавным регулированием тяговых и тормозных сил при работе электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Применение преобразователей, осуществляющих плавное регулирование силы тяги вместо ступенчатого, позволило улучшить пусковые свойства электровозов и повысить использование силы тяги на 8 — 10 %. К тому же, это дало возможность реализовать режим рекуперативного торможения электровоза, который позволяет не только снизить энергозатраты на тягу поездов на 10 — 18 % в зависимости от профиля пути, но и экономить материальные ресурсы.
Эта конструкция неизменна до настоящего времени.
Дальнейшее развитие — это простые решения, которые приближают отечественные электровозы по энергоэффективности к электровозам с асинхронным приводом, имеющим более сложную схемную архитектуру.
Впервые проект выпрямительно-инверторного преобразователя на базе IGBT-транзисторов в таблеточном исполнении, изготовленных по технологии PressPack, был представлен в рамках конкурса «Новое звено» в 2012 г. По мнению многих специалистов, это мероприятие предопределило будущее развитие компании ОАО «РЖД», заложило новый фундамент кадрового потенциала, способный уже сегодня оперативно и качественно решать сложные производствен
ные задачи. В рамках мероприятия «Транспортная неделя — 2016» состоялись презентация проекта и его обсуждение на тематическом круглом столе (рис. 2).
Применение IGBT-транзисторов позволяет решить десятилетиями существовавшую проблему: обеспечение силовых схем электровозов переменного тока надежными ключевыми элементами, обладающими полной управляемостью.
Идея предлагаемого принципа управления таким преобразователем заключается втом, что при использовании IGBT-транзисторов имеется возможность управлять включением и выключением плеча в необходимые моменты времени. Время включения и выключения плеч выбирается таким образом, чтобы компенсировать индуктивный характер нагрузки и исключить сдвиг фаз между током и напряжением сети. Такой подход предлагается не только для выпрямительно-инверторного преобразователя и выпрямительной установки возбуждения с сохранением существующих габаритов энного оборудования, но и для замены ин- . .уктивных шунтов системы ослабления поля тяговых электродвигателей.
Данное схемное решение позволяет так- е использовать независимое возбуждение |Яговых двигателей при трогании с места и переходе на сериесное (последовательное) эзбуждение при дальнейшем разгоне, что зервые станет возможным для данного типа электровозов. В итоге мы получим технику, которая максимальным образом при- тижает нас к выполнению заданных экс- зуатационных требований, но в то же время обеспечивает синтез технических решений и -оптимальной стоимости жизненного цикла.
Проведенный комплекс аналитических .. лабораторных исследований подтвердил заявленные преимущества. Так, в рамках —эучно-исследовательских работ (по плану научно-технического развития ОАО «РЖД») и при поддержке Гранта ОАО «РЖД», направленного на развитие научно-педагогических кол железнодорожного транспорта в ла- эратории ИрГУПС создан экспериментальгй стенд, состоящий из тягового трансформатора, гибридного ВИП, сглаживающего реактора, нагрузки в виде тягового двигателя 4-L5-514, пульта управления и системы измерений (рис. 3).
При проведении предварительных испытаний были получены диаграммы электромагнитных процессов на первой и высших зонах регулирования. Коэффициент мощности на первой зоне регулирования увеличился с 0,45 до 0,83, а на высших зонах регулиро- ния — с 0,73 до 0,97.
Опираясь на экспериментальные данные, получено, что при одной и той же полной мощности в первичных обмотках тяговых ансформаторов электровозов предлагаемый электровоз потреяет в 2,5 раза меньше реактивной мощности, а активная мощность в равных условиях выше на 25 %. Это позволит сократить потери как в электровозе, так и в сети, а также снизит нагрузку сигмы электровоз — тяговая сеть.
На рис. 4,5 приведены зависимости коэффициента мощности от величины выпрямленного напряжения типового и предлагаемого “ МП для режимов тяги и рекуперативного торможения.
Кроме того, учитывая малоизученные возможности драйверов управления транзисторами, после проведения экспериментальных работ будет осуществлен пересмотр существующей архитектуры силовой схемы электровоза с исключением из ее состава Таких вспомогательных элементов, как: блок балластных резисторов, индуктивный шунт, быстродействующая защита, системы слежения за потенциальными условиями и коммутацией и др.
Учитывая приоритеты развития и заинтересованность Дирекции тяги в приобретении надежного и эффективного грузового электровоза, в 2017 — 2018 гг. совместно с Новочеркасским электровозостроительным заводом намечен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию модификации электровоза серии ЗЭС5КМ.
В 2020-х годах предполагается массовое списание отработанных свой ресурс электровозов серии ВЛ. Значительно возрастет потребность локомотивов, и замена им должна быть уже на то время подготовленной, отработанной и отлаженной.
Поэтому необходимо, учитывая более чем 70-летний отечественный опыт эксплуатации электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями, к тому времени интегрировать его с современными мировыми технологиями и получить лучший в мире отечественный электровоз своего класса, обладающий высокой энергетической эффективностью и лучшими регулировочными способностями по сравнению с аналогами.
