CC BY
131
Перспективы развития
тягового подвижного состава. Часть 2
Т. С. Титова,
д. т. н., профессор, первый проректор - проректор по научной работе Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС)
А. М. Евстафьев,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Электрическая тяга» ПГУПС
М. Ю. Изварин,
к. т. н., доцент, кафедра
«Электрическая тяга» ПГУПС
А. Н. Сычугов,
старший
преподаватель,
кафедра
«Электрическая тяга» ПГУПС
В статье продолжен обзор (часть 1 см. «Транспорт РФ». 2018. № 6) современных гибридных локомотивов и специального самоходного подвижного состава, представленных ведущими компаниями на выставке InnoTrans в последние годы.
Гибридный локомотив DE 18 SmartHybrid компании Vossloh
Выпущенный компанией Vossloh гибридный локомотив DE 18 (рис. 1; табл. 1) может использоваться как в тяжелой маневровой, так в поездной работе.
Конструкторы разместили литий-ионную аккумуляторную батарею емкостью 120 кВт-ч под кузовом, в дополнительном топливном баке объемом 1000 л (рис. 2). К достоинствам локомотива относится возможность сократить внешние выбросы, он подходит для эксплуатации в помещениях и тоннелях.
Емкости аккумуляторной батареи достаточно для перемещения состава массой 1000 т на расстояние до 10 км без запуска дизеля либо для выполнения маневровой работы в течение часа.
К сожалению, авторам не удалось получить у специалистов компании информации о конструктивных особенностях локомотива и его принципиальной схеме. Однако известно, что литий-ионная батарея имеет ресурс от трех до шести тысяч циклов заряд-разряд, заряд может осуществляться от дизель-генератора в режиме оптимального потребления топлива
Рис. 1. Макет (слева) и опытный образец гибридного локомотива DE 18 Smart Hybrid компании Vossloh Таблица 1. Основные технические характеристики локомотива DE 18
Номер Характеристика Величина
1 Осевая формула B0'B0'
2 Служебная масса, т 84
3 Конструкционная скорость, км/ч 120
4 Максимальная масса поезда, т до 1000
5 Мощность, кВт до 1800
и от внешнего источника. В качестве токоприемника может выступать внешняя сеть. Локомотив предполагается использовать в Германии, Франции и Люксембурге [1].
Гибридный локомотив DE-Hybrid
Основное назначение гибридного локомотива (табл. 2; рис. 3), выпущенного компанией CRRC (КНР), — выполнение маневровой работы с уменьшенным потреблением топлива и сниженным выбросом загрязняющих веществ в окружающую среду. Это оказывается возможным вследствие сокращения работы дизель-генераторной установки в режиме холостого хода и рекуперации электроэнергии, позволяющей сохранить в батареях до 80 % энергии, выделяющейся при торможении.
Гибридный тепловоз применяется на линиях городской железной дороги S-Bahn в Гамбурге. Жесткие условия по нагрузке на ось определили небольшую силу тяги и мощность, однако тепловоз способен выполнять маневры с мотор-вагонным подвижным составом.
Гибридный локомотив HSL 700 Hybrid
Гибридный локомотив (рис. 4; табл. 3) получен в результате значительной модернизации маневрового тепловоза DE 11000 (от исходной конструкции остались тележки и силовые элементы кузова). Конструкция разработана в сотрудничестве корпорации TCCD (Государственные железные дороги Турции), компания TULOMSAS (локомотивостро-ительная компания) и ASELSAN (производитель электронного оборудования в сфере вооружений).
Для гибридного локомотива компания ASELSAN разработала батарейный блок высокого напряжения на основе литий-титанатных аккумуляторов.
Принципиальная схема локомотива (рис. 5) существенно отличается от рассмотренных ранее. Тяговая аккумуляторная батарея связана с промежуточным зве-
Рис. 2. Корпус батареи, выполненный в виде дополнительного топливного бака
ном при помощи повышающего преобразователя постоянно-постоянного тока (DC-DC converter), обеспечивающего заряд батареи и обратное питание. Это дает возможность улучшить режим работы батареи и стабилизировать напряжение. Тяговые двигатели питаются от инверторов на основе кремний-оксидных IGBT, длительная мощность (общая) составляет 400 кВт с кратковременным повышением до 700 кВт. Преобразователь рассчитан на входное напряжение 600-1000 В и ток до 700 А. Для заряда батареи от внешнего источника используется выпрямитель, который может обеспечить режим работы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Вспомогательный преобразователь (ПСН) питается от промежуточного звена и имеет выходные каналы с трехфазным и однофазным переменным напряжением на мощность 5, 125 и 10 кВт. Имеется зарядное устройство для вспомогательной батареи с напряжением 24 В.
Преобразователь имеет модульную конструкцию и систему жидкостного охлаждения.
Тяговую батарею составляют ячейки, в каждой из них находятся четыре включенных параллельно литий-тита-натных аккумулятора. Такая батарея обеспечивает питание потребителей током большой величины, количество циклов заряд — разряд значительно.
Рис. 3. Локомотив DE-Hybrid
Таблица 2. Основные технические характеристики локомотива DE 18 Hybrid
Номер Характеристика Величина
1 Осевая формула w
2 Служебная масса, т До 64
3 Конструкционная скорость, км/ч 120
4 Сила тяги при трогании с места, кН 100
5 Мощность на ободе колеса, кВт 400
6 Температура окружающей среды От -30 до +40 °С
Рис. 4. Гибридный локомотив HSL-700
Рис. 5. Принципиальная схема гибридного локомотива HSL-700
Транспортное машиностроение
Таблица 3. Основные технические характеристики локомотива HSL-700 Hybrid
Номер Характеристика Величина
1 Осевая формула Bo'Bo'
2 Служебная масса, т 68
3 Конструкционная скорость, км/ч 80
4 Сила тяги максимальная, кН 220
Мощность на ободе колеса максимальная, кВт: 700
5 при питании от дизель-генератора 300
при питании от батареи 400
6 Температура окружающей среды От -25
до +45 °С
Таблица 4. Основные технические характеристики контактно-аккумуляторного электровоза
Номер Характеристика Величина
1 Осевая формула W
2 Система электроснабжения 15 кВ, 162/3 Гц
3 Сцепная масса, т 81,4
4 Сила тяги, кН 220
5 Мощность при питании от контактной сети, кВт 1700
200-800
6 Мощность при питании от накопителей, кВт в зависимости от режима питания
7 Запас хода с поездом 400 т на неэлектрифицированном участке, км 35-40
8 Конструкционная скорость, км/ч 100
9 Сила тяги максимальная, кН 220
10 Общая энергоемкость накопителей энергии, кВт-ч 155
Таблица 5. Основные технические характеристики машины UNIMAT 09-4x4/4s E3
Номер Характеристика Величина
1 Длина по буферам, мм 34 140
2 Служебная масса, т 144
3 Нагрузка на ось, т 20
Конструкционная скорость, км/ч:
4 в самоходном режиме 100
за локомотивом 100
5 Максимальная мощность, кВт 600
Масса батареи 1850 кг, запас энергии 111,7 кВт-ч. Батарея имеет систему управления и защиты, обмен данными с системой управления локомотивом осуществляется согласно протоколу CAN 2.0. Охлаждение батареи жидкостное. Батарея сохраняет работоспособ-
Рис. 6. Контактно-аккумуляторный электровоз компании TecSol (InnoTrans-2016)
ность в диапазоне температуры от -30 до +55 °С.
Схема локомотива позволяет заряжать батарею как от дизель-генератора, так и от внешней сети 380 В. В батарее сохраняется энергия, полученная в процессе рекуперации при торможении и на спусках.
В линейке подготовленных к производству локомотивов имеются и «негибридные» версии:
• маневровый тепловоз с электропередачей;
• аккумуляторный электровоз.
Совершенная микропроцессорная
система управления локомотивом, имеющая высокий уровень надежности и безопасности,соответствует требованиям нормативов 1ЕС 61508 и EN 50155 [2].
Контактно-аккумуляторный электровоз е-НуЬ^ InnoShunt 2016 компании TecSol
На прошлой выставке 1ппо^аш-2016 компания TecSol представила инновационный гибридный локомотив (табл. 4; рис. 6), в этом году — только стендовую экспозицию. По принятой классификации контактно-аккумуляторный электровоз относится к гибридам третьего рода. Особенность схемы электровоза — использование энергоемкой аккумуляторной батареи совместно с батареей ионисторов. Такая схема обеспечивает благоприятные условия для источников питания: иони-сторная батарея выдерживает быстрый заряд и разряд, аккумуляторная служит основным накопителем. С помощью контактной сети (15 кВ, 162/3 Гц) можно быстро зарядить батарею ионисторов, чтобы позже передать энергию аккумуляторной батарее в режиме заряда небольшим током. Указанная технология позволяет продлить срок службы батареи, повысить КПД локомотива и обеспечить его работу в режиме кратковременных заходов под контактную сеть. Поэтому основное назначение машины — маневровая работа на станциях с неэлектифицированными боковыми путями. Проект выполнен совместно с ОВВ (Австрийские федеральные железные дороги). Контактно-аккумуляторный электровоз появился в результате существенной модернизации действующего электровоза серии 1063: все оборудование было перенесено в кузов, реостатное торможение заменено рекуперативным с отдачей энергии на ионисторную батарею.
Сведений об успешной эксплуатации и о реальном энергопотреблении компания не предоставила. Известно, что с использованием подобной схемы переоборудованы два локомотива [3, 4].
Шпалоподбивочная самоходная машина с гибридным тяговым приводом иШМАТ 09-4x4^ Е 3 компании Plasser & ^еигег
Гибридные технологии тягового привода не обошли стороной и весьма необычную конструкцию. Привод шпалоподбивочной машины (рис. 7, 8; табл. 5), предназначенной для обслуживания пути и не имеющей накопителей энергии, без сомнения, гибридный. Такая система, получая питание от контактной сети, позволяет на электрифицированных участках не использовать дизельный двигатель.
Схема машины построена таким
Таблица 6. Сравнительные показатели гибридного подвижного состава
Номер Серия Тип Компания -производитель гибридного привода Схема Мощность на ободе колеса, кВт Кратность энерговооруженности (гибридность) Тип батареи
1 HD 300 Грузовой Toshiba Последовательная 500 0,5 Li-Ti-O (SCiB)
2 HELMS Маневровый » Последовательно-параллельная 750 1,0 То же
3 PRIMA H3 » Alstom То же 350-1000 0,35-1,0 Ni-Cd
4 PRIMA H4 » » » 900-2000 0,3-0,7
5 DE 60 C » Gmeinder Lokomotiven GmbH Параллельная 435 0,96 Li-ion
6 DE 75 BB » » » 600 1,0
7 DE 18 Маневрово-вывозной Vossloh » 1800 Нет данных
8 DE 11000 Hybrid Маневровый Tulomsas+ Aselsan Последовательная 700 0,75 Li-Ti-O
9 Innoshunt 2016 » TecSol Параллельная 200-800 0,11-0,47 Ионисторы, Li-ion
10 UNIMAT 09-4x4/4s E 3 Машина Plasser & Theurer » 600 1,0 Нет
образом, что она может не только перемещаться, но и выполнять работу по подбивке шпал при питании от контактной сети. В результате значительно сокращаются выбросы в окружающую среду. По классификации такая схема гибрида относится к первому роду, причем не только как ТС, но и как ремонтная машина [5].
На выставке были представлены и другие гибридные системы, в частности на основе ионисторов и других накопителей.
Основные характеристики гибридного подвижного состава приведены в табл. 6.
Таким образом, в гибридных системах с накопителями энергии преимущественно используются электрические аккумуляторы на основе лития. По массо-габаритным показателям гибридный подвижной состав не уступает локомотивам с традиционными силовыми установками.
Рис. 8. Расположение оборудования на машине UNIMAT 09-4x4/4s E3
Рис. 7. Гибридная шпалоподбивочная машина UNIMAT 09-4x4/4s E 3
Сила тяги гибридных локомотивов не ниже, чем традиционных, а иногда и превосходит их. Расчетная скорость гибридного локомотива в режиме работы от накопителя на 30-50 % ниже, чем при работе от основной силовой установки.
В дизельном режиме мощность гибридов первого рода (дизель-электровозов) составляет 30-50 % от мощности при питании от контактной сети, за исключением электровозов с дизелями «последней мили». Гибриды с двумя дизель-генераторами и электропередачей обычно имеют идентичные по мощности и конструкции силовые установки.
Запас энергии тягового аккумулятора маневрового гибридного локомотива составляет 100-200 кВт-ч. Гибридный подвижной состав с накопителями энергии предназначен преимущественно для тяжелой маневровой работы.
Гибридные единицы тягового подвижного состава получены большей частью в результате модернизации существовавших прежде локомотивов. □
Литература
1. URL: www.vossloh-locomotives.com/ en/products_and_services/products. html
2. URL: http://www.genco-energy.de/ index.php/news/17 3-tuelomsas-hy-brid-rangierlokomotive-de
3. URL: http://www.tecsol.at/en/
4. Информационное сообщение TecSol на официальном сайте Railway Gazette International. - URL: https:// www.railwaygazette.com/news/ single-view/view/oebb-unveils-prototype-electric-supercapacitor-battery-loco.html
5. URL: https://www.plassertheurer. com/de/maschinen-systeme/e3-tech-nologie/ueberblick.html
