[04-2018] Гибридные локомотивы на дорогах Японии
 

Гибридные локомотивы на дорогах Японии

Компанией «Toshiba» был разработан и построен новый гибридный маневровый тепловоз серии HD300 (рис. 1) для железной дороги JR Freight (Япония).

Внедрение гибридных локомотивов позволяет значительно снизить потребление дизельного топлива, уменьшить уровень шума и вредных выбросов. Это достигается посредством применения в конструкции локомотива следующих технических решений: энергосбережение в процессе выполнения маневровых работ путем использования гибридной системы, применение энергонакопительного устройства с мощной главной тяговой батареей, применение синхронных тяговых электродвигателей на постоянных магнитах (PMSM), модульный принцип расположения оборудования (рис. 2). Основные характеристики тепловоза HD300 приведены в таблице.

В качестве аккумуляторной батареи на новом локомотиве применена литий-ионная батарея. Применение высокоэффективных PMSM способствует меньшему их нагреву, исключая необходимость в охлаждении вентилятором, что уменьшает расход энергии на собственные нужды.

Такие локомотивы являются прямыми конкурентами автомобилям, за счет отсутствия шин имеют большую износостойкость и себестоимость перевозок. Даже за счет снижения издержек при применении б/у резины на автомобилях http://buradius.com.ua/wintertyres применение жд локомотивов предпочтительнее.

Структурная схема гибридного тепловоза HD300 представлена на рис. 3. Главная тяговая батарея является ключевым компонентом в гибридной системе тепловоза. Батарея обеспечивает стабильную работу локомотива в холодных регионах независимо от ее старения. Для ее обслуживания требуется небольшой объем работ. Номинальное напряжение батареи — 750 В, энергоемкость — 67 кВт-ч.


Дизель-генераторный модуль локомотива HD300 состоит из дизеля, главного генератора и вспомогательного оборудования. Для уменьшения объема работ по техническому обслуживанию и снижения уровня шума, а также возможности в перспективе замены дизеля на топливные элементы все оборудование дизель-генераторного модуля установлено в одном корпусе.

Работа дизеля обеспечивается независимо от главной батареи на случай выхода ее из строя. Главный генератор — трехфазный асинхронный, имеющий простую конструкцию и не нуждающийся в системе независимого возбуждения.

Благодаря низким потерям и маленькому количеству выделяемого тепла тяговые двигатели имеют полностью замкнутую структуру, что уменьшает частоту проведения работ по их техническому обслуживанию. Тяговые двигатели с постоянными магнитами бесшумны в работе (как асинхронные двигатели).

Для уменьшения уровня шума и расхода топлива производится остановка дизеля локомотива в определенные периоды времени работы локомотива (например, в режимах низкой выходной мощности или остановки). Главная батарея, в свою очередь, используется до высокого уровня глубины разрядки, заряжается при рекуперативном торможении и с применением главного генератора. Срок службы главной батареи составляет около 8 лет (даже при ее эксплуатации в регионах с холодным климатом). На рис. 4 приведена тяговая характеристика тепловоза серии HD300.

Работа системы управления электропитанием тепловоза (ECOS) основана на системе управления зарядкой и разрядкой главной батареи, базирующейся на модуле оценки состояния зарядки (SOC), выходной мощности и скорости движения тепловоза (рис. 5).

Опытная эксплуатация тепловоза HD300 показала, что при одних и тех же условиях работы на станции Токио с составом массой 700 т потребление топлива у тепловоза HD300 оказалось ниже, чем у тепловоза серии DE10.

В процессе испытаний было зафиксировано снижение на 61 % (по сравнению с тепловозом DE10) уровня выбросов оксидов азота. Это было достигнуто посредством применения дизеля, соответствующего нормам выбросов вредных веществ Tier 3 и оптимизации его работы.

Уровень шума был снижен на 22 дБ(А) путем уменьшения габаритов дизеля, обеспечения открытого пространства с акустическим поглотителем и установкой заслонки.

Потребление топлива было уменьшено на 36 % за счет эффекта переменной работы, основанной на гибридной системе, применении PMSM, рекуперации энергии и высокоэффективной работы дизеля (рис. 6).


Испытания по определению уровня шума показали, что гибридный тепловоз HD300 создает значительно меньший уровень шума.

Испытания проводились в течение года, включая работу тепловоза при высоких температурах окружающей среды в середине лета в Токио и при низких температурах в середине зимы в Саппоро. Тепловоз HD300 стал базовой моделью экологичных локомотивов для дорог Японии. Правительство Японии поддерживает развитие гибридных систем посредством субсидий, чтобы подтолкнуть грузовые железные дороги к внедрению «зеленого транспорта». Гибридные системы будут применяться не только на локомотивах, но и на других железнодорожных транспортных средствах.

Компания «Toshiba» и германский оператор грузовых перевозок «DB Cargo» рассмотрели возможности совместной разработки первых 100 маневрово-вывозных локомотивов, оснащенных дизельным двигателем и тяговой аккумуляторной батареей. Первые опытные образцы локомотивов предполагается построить к концу 2019 г.

Значительная часть парка маневровых тепловозов оператора «DB Cargo» имеет возраст около 40 лет. Замена списываемых локомотивов гибридными тепловозами позволит существенно сократить потребление топлива, снизить уровень шума, уменьшить расходы на техническое обслуживание, повысить надежность и эксплуатационную готовность парка. Компания заинтересована в расширении круга поставщиков локомотивов и их компонентов и получении доступа к новейшим технологиям, которые пока недоступны на европейском рынке.

В Европе темпы внедрения инновационных технологий на грузовом подвижном составе замедляются, и конкуренция среди изготовителей становится менее острой, поскольку они менее активно работают в области создания грузовых локомотивов в связи со снижением спроса на них. Азиатские компании, в свою очередь, испытывают некоторые затруднения из-за недостатка опыта работы с европейскими заказчиками, сложности процедуры получения допуска подвижного состава к эксплуатации и проблем с выбором подходящих партнеров.

По материалам журналов «Japanese Railway Engineering», «Railway Gazette International» и информации компании «Toshiba»

Инж. П.А. ПОЛИН, г. Москва