CC BY
3
УДК 629.423
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-615-616
ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ
НА РОССИЙСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
В.А. Силаев, А.С. Тычков
В статье проведен анализ особенностей конструкции электроподвижного состава, позволяющий выявить специфику развития тягового привода электровозов, современное состояние вопроса и перспективы. Проведено обоснование классификации электроподвижного состава по поколениям в зависимости от присутствующего на борту оборудования, а также от методов и принципов организации системы управления основными системами, участвующими в процессе реализации тягового усилия. Обоснованы технологические аспекты применения электроподвижного состава пятого поколения для оптимизации структурных подразделений локомотивного хозяйства и полигонной организации обращения локомотивов.
Ключевые слова: электроподвижной состав, электрический двигатель, тяговый привод, род тока, вы-прямительно-инверторный преобразователь, управление, регулирование
Сначала необходимо определить, значение такого термина в технике, как "поколение". Если кратко, то это стадия развития технических устройств, где присутствует интенсивное (скачкообразное) качественное и количественно улучшение характеристик изделия. Для сравнения различных поколений электровозов необходимо вначале обратиться к истории появления электрических машин, в частности, к их использованию в качестве тяговых двигателей.
Асинхронные трехфазные двигатели является основой пятого поколения, но появились они достаточно давно - в конце XIX века. Они были просты по конструкции, например, с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки, и, соответственно, достаточно легки в плане проведения технического обслуживания по сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока, появившимися практически в тот же период, но имеющими значительно более сложное устройство. Указанные преимущества асинхронных тяговых двигателей (АТД) сразу же заинтересовали разработчиков систем тяги. Однако тут же были выявлены значительные проблемы их использования. Прежде всего - полное несоответствие их естественной тяговой характеристики требованиям реализации тяги. К примеру, в момент трогания естественный тяговый момент такого двигателя был близок к нулю, в то время как требовался его максимум [1].
Также не удавалось быстро перенастраивать силу тяги (момент) при изменении различных режимов ведения поезда. Большие сложности возникли при создании системы питания электровоза (первоначально эксперименты проводились с городским электрическим транспортом - трамваем). Были предложены десятки патентов создания трехфазной контактной сети и трехфазного токоприемника, что только увеличило число неразрешаемых проблем. И только с появлением работ М.П. Костенко [1] стало ясно, что для получения в данный момент времени требуемого тягового момента необходимо регулировать параметры, характеризуемые следующим выражением:
где М - момент вращения АТД; V - напряжение на его входе; /1 - частота его питания током; Ф - магнитный поток.
Исходя из исследований Костенко М.П., видно, что для регулировки момента с целью создания определенной силы тяги локомотива достаточно иметь определённое соотношение У1//1, кроме того возможно также изменение магнитного потока. Иными словами, АТД должен иметь в качестве основного управляющего воздействия частотное регулирование. Однако электромеханические устройства, господствующие в то время, по требованиям надёжности, быстроты срабатывания и габаритам не могли обеспечить этого.
К бесколлекторным двигателям переменного тока относятся также синхронные двигатели, но их конструкция более сложно реализовывалась, и потому не заинтересовала инженеров того времени. Данный тип электрических машин также требовал частотного регулирования. Таким образом, проблема прямого применения мощных двигателей переменного тока на транспорте для создания четко регулируемой силы тяги была отложена до 60-х годов ХХ века - до появления компактных электронных устройств, размещаемых на самом локомотиве и способных быстро и надёжно изменять частоту и амплитуду питания АТД [2].
Потерпев неудачу в реализации прямого использования АТД, инженерами тех лет для транспорта были специально разработаны двигатели постоянного тока с питанием от контактной сети первоначально 800 В (Великобритания), позднее 1500 В (Голландия), и наконец 3000 В (Франция, СССР). Напряжение выбиралось исходя из предельных возможностей работы коллекторно-щеточного узла. Рост напряжения происходил по мере развития электротехнической промышленности, особенно в области конструкции изоляционных материалов. Для тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока в режиме тяги было использовано последовательное возбуждение. При нём двигатели легко управлялись, но самое главное в том, что они были электрически устойчивы при колебаниях напряжения контактной сети, бросках тока, ошибках локомотивных бригад в процессе управлении и т.д. В любом случае ТЭД постоянного тока были достаточно устойчивы с точки зрения теории систем автоматического управления, быстро возвращались в устойчивые зоны работы при снятии внешних негативных воздействий. Следовательно, тяговая характеристика таких двигателей и их стабильность полностью соответствовали требованиям тяги, также достаточно легко реализовывался режим рекуперативного и реостатного торможения. Но существенным недостатком тяговых характеристик таких двигателей была высокая «мягкость», т.е. малое противодействие возникновению бок-сования колёсных пар и переход процесса в разносное состояние [1]. Радикальным способом выхода из процесса разносного боксования являлось отключение буксующей колесной пары, что при её повторном включении вызывало броски тока и динамические удары. Поэтому неопытные машинисты в ожидании возникновения боксования подавали под колесные пары нерационально избыточное количество песка. Многочисленные попытки существенно увеличить жёсткость тяговой характеристики, т.е. улучшить противобоксовочные свойства ТЭД постоянного тока, за счет перехода с постоянного возбуждения на независимое, оканчивались безрезультатно, поскольку резко снижалась
электрическая устойчивость двигателя. Чтобы вернуть ТЭД в стабильную зону, необходимо было оперативно корректировать параметры системы независимого возбуждения, что никак не могли сделать электромеханические устройства из-за их большой инертности и нестабильных характеристик. Поэтому ТЭД постоянного тока с независимым возбуждением (электровозы 2(3)ЭС6) стали массовыми только после широкого использования в конструкции современной электроники. Рост напряжения в контактной сети постоянного тока, который снижал потери, продолжался бы и выше 3000В, но появление компактной силовой электроники перенесло процесс выпрямления тока с тяговой подстанции на сам электровоз. В результате появился электроподвижной состав (ЭПС) переменного тока со значительно превосходящим, в сравнении с системой постоянного тока, однофазным напряжением контактной сети номиналом 25000 В, частотой 50 Гц. При этом двигатели на данном ЭПС оставались теми же - коллекторными постоянного тока с номинальным напряжением 1500-1700 В. Для осуществления их питания на борту ЭПС появился понижающий трансформатор 25000/1500 и выпрямитель (первоначально на диодах) мостового типа. С дальнейшим развитием электроники и появлением силовых тиристоров выпрямитель получил возможность надёжно функционировать и как инвертор, т.е. рекуперировать (возвращать) энергию вращающейся электрической машины постоянного тока (генераторный режим) в контактную сеть переменного тока. Таким образом в схемах ЭПС переменного тока появился выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП). Для электровозов постоянного тока появление силовой электроники первоначально практически не повлияло на схемные решения. Однако с появлением тиристорных ключей небольшие изменения были внесены в ступенчатый переход, который стал более плавным и равномерным при наборе позиций контроллера управления. Эти же изменения коснулись режима перегруппировки, т.е. последовательного, последовательно-параллельного и параллельного соединения ТЭД, а также режимов изменения степени ослабления магнитного поля (ОП). С приходом электроники в системах постоянного тока процесс выпрямления по-прежнему проходит на тяговых подстанциях. При этом существенно сократились их размеры, повысилась степень автоматизации и улучшилось качество выпрямленного тока. На подстанциях переменного тока наиболее габаритным оборудованием являются трансформаторы, понижающие напряжение от промышленных линий электропередач до 25000 В номинального для контактной сети, также появились компенсаторы реактивной мощности.
Несмотря на использование в классических компоновках электровозов постоянного и переменного тока схожих силовых звеньев постоянного тока для реализации тягового усилия, имеются небольшие отличия в конструкции непосредственно ТЭД для этих двух систем. Так ТЭД в электровозах переменного тока конструктивно является двигателями постоянного тока, но с добавлением термина «пульсирующие», т.к. мостовые выпрямители даже теоретически не могли давать 100%-го выпрямления. Поэтому выпрямленный ток имел пульсации, сглаживание которых выполняется не за счет усложнения схем выпрямления, а посредством особенности конструкции ТЭД (магнитное шихтование, индуктивные шунты и другие). Замена в преобразователях ЭПС переменного тока диодов на тиристоры несколько сократила долю высших гармоник, но проблема не была решена полностью. В результате на отечественных электровозах постоянного и переменного тока используется практически идентичные по конструкции ТЭД постоянного тока, но которые не взаимозаменяемы. Задача 100-процентного выпрямления была фактически решена только после очередного этапа в развитии силовой электроники - появление GTO тиристоров в начале 90-ых годов ХХ века, которые вскоре были заменены IGBT транзисторами, работающими в режимах высокочастотной импульсной модуляции. В качестве импульсного регулирования (модуляции) было, в основном, выбрано широтно-импульсное регулирование (ШИР) [3]. Имеются также схемы и с частотно-импульсным регулированием. На основе данной силовой элементной базе был создан четырёхквадрантный преобразователь (4qS), который «идеально» не только выпрямляет переменный ток, но и инвертирует постоянный ток в однофазный переменный для возврата в контактную сеть при рекуперации. При этом в зависимости от направления тока в 4qS меняются только алгоритмы переключений IGBT транзисторов. Преобразователь 4qS состоит из нескольких мостовых модулей, которые соединены определенным образом, но функционирует не посредством алгоритма фазного регулирования, а за счет импульсного [4]. Фазным регулированием считается запирание/отпирание силового полупроводникового прибора (СИП) не более 2-х раз за период полуволны питающего напряжения частотой 50 Гц, т.е. один раз в течение самой полуволны и второй - при переходе на другую полуволну (для снижения основной коммутации). По другому, эта полуволна называется полупериодом или фазой. Если число таких переключений больше 2-х, то это можно считать переходом к импульсному воздействию на фазу, что в последствии получило название «фазовое импульсное регулирование» [5]. Когда появились тиристоры, позволяющие работать с частотой импульсов в фазе более 10 раз (более 500 Гц), то произошел качественный перелом процесса выпрямления по сравнению с мостовой схемой. Постепенно с ростом собственной частоты переключений тиристоров слово «фазное» исчезло и осталось «импульсное регулирование».
Однако отечественное локомотивостроение на электровозах переменного тока проигнорировало использование 4qs в качестве ВИПа из-за очень высокой стоимости импортных высокочастотных транзисторов и программной реализации алгоритмов по их управлению. Так на электровозе 2ЭС5К «Ермак» до сих пор используется ВИП на основе мостовой схемы с тиристорными плечами и сравнительно простым четырехзонным амплитудно-фазным регулированием. Несмотря на простоту и дешевизну эта схема имеет очень серьёзный недостаток - низкий коэффициент мощности (Км), который оценивает степень использования энергии переменного тока, влияет на КПД электровоза, расход электроэнергии, но самое главное - его малая величина резко ограничивает возможность использования рекуперации [4].
Коэффициент мощности определяется следующей формулой:
Км = cos ф-j- (2)
где ф - угол сдвига по фазе между током и напряжением при переходе с одного полупериода в другой; Ii - действующее значение первой гармоники тока; I - действующее значение реального тока, потребляемого ТЭД на выходе ВИП.
В настоящее время удалось угол сдвига свести к нулю, т.е. cosф =1. В таком случае значение Км определяется только, соотношением Ii/I, которое называют коэффициентом искажения формы тока от выпрямления.
В реальном токе на первую гармонику наложены последствия коммутационных процессов (в виде вышних гармоник) от работы мостового ВИПа. Для последних образцов отечественного грузового электровоза 2(3,4)ЭС5К «Ермак» переменного тока значение Км для тягового режима в продолжительном режиме заявлено от
0,84 до 0,9, но по результатам реальных многочисленных испытательных поездок составляет от 0,7 до 0,84 [6]. Для режима рекуперации заявляются значения от 0,6 до 0,7. Данные реальных испытаний представлют в широком диапазоне от 0,3 до 0,6, ссылаясь на многообразие различных факторов. Можно предположить, что максимальное значение для идеальных условиях - это 0,6. Низкие величины Км в тяговом режиме, кроме снижения энергетических показателей ведут к нарушению плавности вращения ТЭД и вспомогательных машин трехфазного тока. Это приводит к вибрациям и досрочному их механическому повреждению, в том числе и элементов тяговой передачи. Пониженные значения Км для мостового инвертора в режиме рекуперации ведут к резкому ухудшению качества электрической энергии, отдаваемой в контактную сеть. В результате такой рекуперации активная мощность контактной сети не растет, а падает при одновременном росте полной мощности, что существенно нарушает показатели работы всей системы электроснабжения участка железной дороги. В СССР для реализации режима рекуперации были специально разработаны электровозы ВЛ80Р, значение Км для них составляло порядка 0,6. Однако, ввиду отказов и отклонений в работе электроники тех лет, величина данного параметра на практике составляла порядка 0,4. Поэтому во многих депо рекуперацию на ЭПС переменного тока временно ограничивали к применению, а впоследствии даже за ненадобностью проводили демонтаж неиспользуемого для этих целей оборудования. После ряда доработок даже современный серийный электровоз переменного тока классической компоновки (с коллекторными ТЭД) «Ермак» имеет по сравнению с импульсным регулированием довольно низкие значения Км в тяге, а в режиме рекуперации -на грани неприменимости.
Все возможные схемные усовершенствования по увеличению Км для электровозов переменного тока практически исчерпаны и оказались малоэффективными. Поэтому, применяемый метод работы ВИП посредством реализации мостовой схемы с фазным регулированием давно требует замены принципиально новыми решениями.
Появление современной силовой электроники (первоначально тиристоров) на транспорте возродило идею использования трехфазных бесколлекторных двигателей. В СССР появился электровоз ВЛ80А-751 с АТД, однако проблема качественного и своевременного частотного регулирования на базе однооперационных тиристоров не была решена. Только появление ОТО тиристоров с возможностью высокочастотного ШИР и микропроцессорного управления открыли во всем мире широкий путь массового производства ЭПС с частотнорегулируемыми АТД. Так в Российской Федерации при сотрудничестве со швейцарской фирмой ВВС были выпущены несколько пассажирских электровозов ЭП10 двойного питания с асинхронными двигателями.
Настоящая технологическая революция, которая привела к внедрению на ЭПС частотнорегулируемого асинхронного тягового привода (ЧАТПр), произошла при появлении силовых транзисторов типа ЮВТ с собственной частотой включений 1000 Гц и более, допустимым напряжением 3500 В и током свыше 500 А [3]. Коренное отличие транзистора от однооперационного тиристора состоит в том, что он не только может включаться в любой момент времени, но и выключаться без участия силовых искусственных коммутационных схем, что резко упростило схемные решения, сократило время коммутации, уменьшило влияние высших гармоник. В результате для схем с трехфазным ЧАТПр и ШИР удалось повысить Км практически до значения 1,0 как в режиме тяги, так и в рекуперативном режиме для различных условий ведения поезда [2]. На сегодняшнем этапе, ведущие мировые производители ЭПС перестали в технической документации указывать величину Км, считая, что вопрос окончательно решён и показатель, достигнув значения 1.0, превратился в обязательный норматив для вновь создаваемых изделий. Массовое производство ЭПС любого типа с коллекторными двигателями постоянного тока ведущими мировыми производителями ЭПС полностью прекращено более 25 лет назад. Данное техническое направление было признанно тупиковым. Для всех пяти европейских систем электроснабжения различных систем тока в контактной сети (800 В, 1500 В, 3000 В - постоянный ток, и 16 2/3 Гц +15 кВ; 50 Гц + 25 кВ - переменный) первоначально в качестве тягового бесколлекторного двигателя был выбран асинхронный. В последнее время появились экземпляры ЭПС с применением синхронных трехфазных тяговых двигателей переменного тока на постоянных магнитах.
Для работы АТД необходимо иметь не только трехфазное питание, но и частотное регулирование. Практика показала, что эти два фактора хорошо реализуются автономными инверторами напряжения (АИН) [7], хотя отдельные производители используют автономные инверторы тока. До появления импульсного регулирования инверторы управлялись методом фазного регулирования, но мировой опыт показал, что эффективность импульсного регулирования над фазным становится явной при частоте собственных переключений СПП более 500 - 700 Гц, то есть когда вмешательство в полупериод увеличилось более 10 раз [3]. Под эффективностью в данном случае понимается величина Км, которая при использовании, к примеру, ОТО тиристоров с собственной частотой включений 500 Гц принимала значение 0,9 как в тяговом, так и в рекуперативном режимах, т.е. достигла максимума фазного регулирования; а при частоте 1000 Гц значение Км приблизилось к 0,95-0,98. При использовании ЮВТ транзисторов с частотой переключений 2000 Гц и более Км практически во всех режимах достиг значений 1,0. Это объясняется в основном тем, что все чётные и нечётные высшие гармоники ушли в высокочастотный спектр, где их влияние заметно уменьшилось на низкочастотные зоны работ средств СЦБ, локомотивной сигнализации, блоков безопасности движения, контактной сети и других потребителей. Кроме того, оснащенные ЮВТ транзисторами преобразователи АИН и 4qs имеют собственные компенсаторы реактивной мощности [4]. Таким образом, эпоха фазного регулирования, где Км не мог даже теоретически превышать 0.9, закончилась. Импульсное регулирование не только улучшило энергетические показатели ЭПС переменного тока в тяговом режиме, но и полностью сняла проблему использования рекуперации.
Принципиальная электрическая схема работы ЭПС с ЧАТПр на участке контактной сети однофазного переменного тока реализуется следующим образом (рис. 1).
В тяговом режиме 4qS выполняет роль «идеального» (100%) выпрямителя (промежуточное звено), благодаря ШИР на базе высокочастотных ЮВТ транзисторов. Кроме того, промежуточное звено, в виде 4qs, защищает АИН от колебаний напряжения в контактной сети и неисправностей трансформатора. Получив «идеальный» постоянный ток от промежуточного звена, АИН, не имея помех на входе, на выходе вырабатывает «идеальный» трехфазный ток для АТД [3]. При этом при помощи микропроцессора и программного обеспечения регулируется частота питания и величина напряжения для получения требуемого тягового момента в соответствии с формулой (1).
В режиме рекуперации АИН работает как выпрямитель трехфазного переменного тока в постоянный, используя соответствующие алгоритмы управления транзисторами. Получив постоянный ток от АИН преобразователь 4qS работает как инвертор, преобразуя постоянный ток в однофазный переменный для контактной сети с частотой 50 Гц [4].
Рис. 1. Схема питания АТД на участке контактной сети переменного тока в тяговом режиме
Принципиальная электрическая схема работы ЭПС с ЧАТПр в режиме тяги на участке контактной сети постоянного тока представлена на рис 2.
Рис. 2. Схема питания ЛТД на участке контактной сети постоянного тока в тяговом режиме: а - для устаревших тяговых подстанций; б) для современных тяговых подстанций и защитных устройств ЭПС с электронным контролем напряжения (пунктирная линия)
Схема «а» также рекомендуется для линий с большим грузооборотом и со сложным планом и профилем пути, где часто используется рекуперативное торможение, т.к. данные факторы вызывают неожиданные скачки напряжения и тока в контактной сети. В более мягких условиях эксплуатации и тем более в перспективе с развитием электронных защитных систем ЭПС и контактной сети преобразователь 4qs как в тяговом, так и в рекуперативном режимах теряет свою необходимость. Тем не менее современный ЭПС постоянного тока с асинхронными двигателями: электровоз 2ЭС10, электропоезд «Ласточка» (серии ЭС2) и скоростной электропоезд «Сапсан» (серии ЭВС2) пока сохраняют в своей конструкции 4qs преобразователь.
Импульсное регулирование и микропроцессоры окончательно сняли проблему создания многосистемного ЭПС, а для России двухсистемного, т.е. для возможности применения ЭПС на участках контактной сети переменного или постоянного тока. Принципиальная схема для ЭПС двойного питания в тяговом режиме представлена на рисунке 3.
~ переменно так К/С !50Гц. 25кВ) трансформатор
const ток
Зх фазный переменные ток
Рис. 3. Схема питания АТД для ЭПС двойного питания в тяговом режиме
Анализ и сравнение представленных схем показывают, что электровоз двойного питания по схеме мало чем отличается от электровоза постоянного и переменного тока (за исключением наличия трансформатора для переменного тока). Отличие только в алгоритмах работы электронных устройств [8]. Другой небольшой особенностью электровозов двойного питания является наличие двух токоприемников - на каждый вид тока свой тип и наличие двух типов крупного электрозащитного оборудования. К примеру, у двухсекционного грузового электровоза двойного питания 2ЭВ120 и у односекционного пассажирского электровоза ЭП20 четыре токоприемника.
Таким образом, для ЧАТПр необходимы 4qS преобразователь и АИН, оснащенные высокочастотными ЮВТ транзисторами и микропроцессорными блоками управления для реализации сложных алгоритмов. Последний фактор стал доступным в результате развития 1Т технологий и создания компактных и надежных микропроцессорных модулей FPGA. Для программной реализации алгоритмов также важно наличие оперативной текущей информации, получаемой от высокоточных датчиков в режиме реального времени, что также стало возможным лишь в последнее десятилетие.
Участие человека в процессе управления ЧАТПр заключается не в непосредственном, а в косвенном воздействии. Основные функции машиниста в таком ЭПС заключаются в запуске и остановке системы, выборе оптимальных алгоритмов управления для различных условий ведения поезда и визуальном контроле процесса движения. С развитием искусственного интеллекта, систем технического зрения и надежной связи посредством цифровых каналов между ЭПС, поездным диспетчером и локомотивным депо постепенно отпадет необходимость в персонале на борту локомотива. Иными словами, ЧАТПр является ступенью для реализации полной (4-ой степени) автоматизации и находится в приоритетной зоне цифровых технологий, переход на которые является одной из главных задач ОАО РЖД [9].
ЭПС с ЧАТПр принято считать, пятым поколением тягового подвижного состава. Само понятие поколение условное, не имеющее строгих границ и требований, упрощенное понятие которого рассмотрено ранее. Чаще всего выделяются поколения развития конструкции ЭПС в соответствии с рядом классификационных характерных признаков:
1-ое поколение - ЭПС спроектированный в 20-30 годы ХХ века, работающий в системах упрощенной сигнализации, связи, ручных способов управления;
2-ое поколение - это ЭПС с признаками автоматизации и делением на системы тока (типа ВЛ22М, ВЛ60);
3-ье поколение - это электровозы для работы с контактной сетью конкретного рода тока (ВЛ10, ВЛ80), оснащенные коллекторными ТЭД постоянного тока с последовательным возбуждением, имеющие секционную структуру, возможность работы по системе многих единиц (СМЕТ), наличие приборов безопасности движения, автоматическую локомотивную сигнализацию, надежную беспрерывную связь. В кабине машиниста расположены аналоговые приборы; электрические аппараты имеют, как правило, индивидуальное управление при помощи электромагнитных или электропневматических вентилей, значительно увеличивающих количество и сложность трассировки соответствующих кабельных линий; присутствует контроллер машиниста и механические переключатели. С внедрением электроники появилось поколение «3+». Знак «+» означает наличие микропроцессорного управления первого уровня с организацией цифровой передачи данных для визуализации на мониторы в кабине машиниста и с обратной связью в виде автоматизированных функций блоков системы управления и технической диагностики. Здесь подача сигнала управления на силовые схемы осуществляется не через электромеханические устройства (контроллер управления, тумблеры), а через посредством микропроцессора первого уровня за счет изменения положения рукоятки джойстика. Также появилось независимое возбуждение тяговых двигателей постоянного тока и асинхронные трехфазные вспомогательные машины. Однако силовая схема (2-ой уровень управления) остается прежней - это высоковольтное контактное оборудование с электромагнитным, пневматическим, пружинным приводом в виде мощных коммутационных контактных тяговых аппаратов, которые для безопасности локомотивной бригады помещены в высоковольтную камеру. Получается, что знак «+» означает следующее: сигналы управления 1-го уровня через электронику и микропроцессор формируются в кабине, но исполнение этих сигналов реализуется посредством электромеханических устройств характерных для третьего поколения, расположенных, в основном, в высоковольтной камере кузова.
4-ое и 5-ое поколение - характеризуется прежде всего заменой коллекторных ТЭД постоянного тока на бесколлекторные переменного тока, управление которыми на любом уровне не может осуществляться электромеханическим контактным коммутационным оборудованием с его инерционностью и переменными во времени силами сопротивления. Здесь используется только силовая электроника в виде блоков 4qS, АИН, находящихся в кузове, и управляемых микропроцессором 2-го уровня управления, который получает команды от микропроцессора 1 -го уровня. Тяговые аппараты становятся ненужными, т.к. не могут своевременно инициировать и контролировать в режиме реального времени процесс частотного регулирования. Вся электроника размещена в закрытых блоках, взаимосвязь которых осуществляется через скоростное оптоволоконное сетевое соединение. В кузове за счет ликвидации высоковольтной камеры, появляется свободное пространство, которое позволяет организовать широкий центральный проход, обеспечивающий удобный и оперативный доступ к каждому блоку в соответствии с принципом оперативной взаимозаменяемости элементов. Это даёт возможность сократить по времени процесс технического обслуживания как на самом ЭПС, так и при проверке блоков (модулей) на испытательных стендах в структурных подразделениях депо. Демонтированные электронные блоки в депо, как правило, не подлежат ремонту, а лишь оперативному контролю, диагностике и возможной программной коррекции с целью устранения ошибок в алгоритмах функционирования или их совершенствования.
В депо с таким ЭПС полностью ликвидируется электроаппаратное отделение (за исключением работ с токоприемником и небольшой номенклатурой работ по крышевому электрическому оборудованию) и электромашинный цех с пропиточным, подшипниковым и испытательным участками, включая габаритное и энергозатратное ста-ночно-инструментальное оборудование. Поскольку АТД с короткозамкнутым ротором прост и надежен по конструкции, нуждается в минимальном техническом обслуживании, а при достижении значений пробега 1 млн. км, подлежит замене. Неизменным остается структура колесного цеха, а также зоны работы с узлами рессорного подвешивания и элементами тележек. Иными словами, численный состав депо, квалификационный уровень (за исключением техобслуживания электронной и микропроцессорной аппаратуры - не более трех инженеров) и общий объем работ для таких депо снижается. Работа со всеми электронными блоками управления 1-го и 2-го уровня, которая уже сейчас в большой степени подвергнута цифровой трансформации и автоматизирована, является существенным шагом на пути перехода к созданию системы «цифрового депо».
Отличие ЭПС 4-го поколения от 5-го заключается в переходе от ОТО тиристоров к ЮВТ транзисторам, что значительно улучшило качество импульсного регулирования и упростило алгоритмы управления. Так как переход имел непродолжительный временной отрезок, то ЭПС 4-го поколения был оперативно модернизирован до уровня 5-ого поколения, а упоминание о 4-ом поколении практически исчезло из технической литературы.
Применение ЭПС 5-го поколения на Восточном полигоне позволит повысить провозные и пропускные способности значительных участков железной дороги, что особенно востребовано при организации тяжеловесного и длинносоставного движения и является острейшей проблемой на сегодняшний день и ближайшую перспективу [10, 11].
В соответствии со Стратегией научно-технологического развития холдинга «РЖД» создание эффективного и безопасного подвижного состава - совместная задача ОАО «РЖД», машиностроительных предприятий и собственников. При этом роль ОАО «РЖД» заключается в формировании научно обоснованных требований к инновационному подвижному составу, максимально адаптированных к целевым задачам технологического развития холдинга «РЖД» [12]. Реализация требований к подвижному составу как объекту цифровой железной дороги должна осуществляться уже на стадии проектирования и учитывать принципы их построения. Кроме того, указанный ЭПС позволяет осуществлять бортовую диагностику основного оборудования ЭПС с возможностью прогнозирования остаточного ресурса.
Подведем итоги преимущественных особенностей электроподвижного состава пятого поколения.
1. Окончательно решена проблема создания двухсистемного (многосистемного) ЭПС, что позволит со-
здать безотцепочные фактически неограниченные по длине полигоны обращения локомотивов не только по территории РФ, но и за её пределы. Это заметно сократит потребность в эксплуатационном парке при данном объеме перевозок, увеличит участковую (полигонную) скорость перемещения грузов и пассажиров и провозную способность, сократит эксплуатационные расходы деповского хозяйства.
2. Практически полное замещение электромеханического контактного электрооборудования на электронное, имеющее значительно больший жизненный цикл, которое подлежит замене, а не ремонту, резко сокращает длительность и количество «ремонтных» операций, увеличивая межремонтные интервалы. Уровень оптимизации ремонтных операций и технических обслуживаний уже изменил терминологию деповских работ, заменив средние, текущие ремонты и все виды техобслуживания на осмотры, инспекции и ревизии. Указанные изменения ремонтного цикла значительно повышают коэффициент готовности локомотивного парка, сокращают количество депо, объем выполняемых работ и численность персонала, также отпадает необходимость в отдельных пунктах технического обслуживания ЭПС и экипировки (заправка песком на станции без отцепки от поезда).
3. Базирующийся на электронных компонентах и информационных технологиях, ЭПС 5-го поколения является основой для цифровой трансформации локомотивной отрасли. Реализуется программа полной автоматизации ведения поезда (без участия локомотивной бригады), где будет работать система автоматического слежения за параметрами движения и техническим состоянием локомотива, в том числе осуществляя предиктивную диагностику. Реализуется технология работы цифрового депо, которая позволит формировать корректирующие воздействия для планирования ремонтных операций в режиме реального времени. Таким образом, осуществляется возможность перехода от планово-предупредительной системы ремонта ЭПС к системе, учитывающей техническое состоянию оборудования, которая не реализуема для наиболее массового ЭПС 3-го и «3+» поколений.
Список литературы
1.Находкин М.Д., Василенко Г.В., Бочаров В.И., Козарезов М.А. Проектирование тяговых электрических машин. М.: «Транспорт», 1976. 624 с.
2.Асинхронный тяговый привод локомотивов / под редакцией А. А. Зарифьян. Москва, 2013. 413 с.
3.Колпахчьян П.Г. Методология комплексного моделирования и способы управления асинхронным тяговым приводом магистральных электровозов : специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Колпахчьян Павел Григорьевич. Новочеркасск, 2006. 402 с.
4.Глызин И.И. Повышение энергоэффективности тяговых электроприводов со статическими преобразователями электроэнергии и асинхронными тяговыми двигателями: специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы" : диссертация на соискание ученой степени кандидиата технических наук / Глызин Илья Игоревич. Москва, 2020. 122 с.
5. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / под ред. Н.А. Ротанова. М.: Транспорт, 1991. 336 с.
6. Мельниченко О.В. Повышение энергетической эффективности тяговых электроприводов электровозов переменного тока : специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы" : автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Мельниченко Олег Валерьевич. Хабаровск, 2015. 22 с.
7.Колпахчьян П.Г. Особенности создания асинхронного тягового электропривода магистральных электровозов / П. Г. Колпахчьян, А. А. Зарифьян // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2007. № 2(11). С. 160-169.
8.Покровский С.В. Сравнение тяговой эффективности грузовых электровозов с различными принципами построения тягового привода // Железные дороги мира. 2018. № 11. С. 58-64.
9.Повышение энергетической эффективности работы электровозов переменного тока / В. С. Томилов, О. В. Мельниченко, С. Г. Шрамко, С. А. Богинский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2020. № 1(65). С. 172-182. DOI 10.26731/1813-9108.2020.1(65).172-182.
10. Развитие тяжеловесного движения на поволжском полигоне / П.В. Шепелин, В.А. Силаев, Н.А. Ефимов, А.С. Тычков // Локомотивы. Газомоторное топливо (Проблемы. Решения. Перспективы): Материалы I Международной научно-практической конференции. Самара: Самарский государственный университет путей сообщения, 2016. С. 83-86.
11. Силаев В.А. Особенности и перспективы тяжеловесного движения в волжском регионе / В. А. Силаев, Н. А. Ефимов, А. С. Тычков // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2016. С. 174-182.
12. Стратегия научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года (Белая книга), утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 17.04.2018 г. №769/р. [Электронный рессурс] URL: http://cipi.samgtu.ru/sites/cipi.samgtu.ru/files/belaya kniga.pdf (дата обращения: 01.02.2024).
Силаев Валерий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения,
Тычков Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, a.tychkov@samgups. ru, Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения
THE PREDOMINANT FEATURES OF FIFTH-GENERATION ELECTRIC ROLLING STOCK ON RUSSIAN RAILWAYS
V.A. Silaev, A.S. Tychkov
The article analyzes the design features of electric rolling stock, which allows to identify the specifics of the development of traction drive of electric locomotives, the current state of the issue and prospects. The substantiation of the
620
classification of electric rolling stock by generation is carried out, depending on the equipment present on board, as well as on the methods and principles of the organization of the control system of the main systems involved in the process of implementing traction. The technological aspects of the use of electric rolling stock of the fifth generation for the optimization of structural divisions of the locomotive industry and the landfill organization of the circulation of locomotives are substantiated.
Key words: electric rolling stock, electric motor, traction drive, type of current, rectifier-inverter converter, control, regulation
Silaev Valery Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, v. silaev@samgups. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Engineering,
Tychkov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, a. tychkov@samgups. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Engineering
УДК 656.212.5
БО1; 10.24412/2071-6168-2024-3-621 -622
ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА, ДИАГНОСТИКИ
И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Г.Г. Киселев
В статье представлена модель мобильного манипуляционного робота-осмотрщика вагонов с целью проведения технического обслуживания подвижного состава на ПТО, выполняющего одновременно несколько операций по мониторингу ходовых частей грузовых вагонов. Предложенная технология позволяет расширить количество диагностических признаков оценки технического состояния подвижного состава, по сравнению с существующей технологией контроля осмотрщиками-ремонтниками вагонов, выполняющими в основном фиксирование видимых неисправностей и измерение их в доступной зоне контроля по определенным позициям.
Ключевые слова: пункт технического обслуживания, грузовой вагон, искусственный интеллект, мобильный манипуляционный робот-осмотрщик вагонов.
Одной из важнейших составляющих основной деятельности вагонного хозяйства, фигурирует техническое обслуживание вагонного парка. Формирование цифровой экономики и ее реализация в техпроцессы вагонного хозяйства, в отношении обеспечения исправности подвижного состава, определяется посредством организации и продвижении инноваций, базирующихся на автоматизации операций осмотра грузовых вагонов на пункте технического обслуживания (ПТО) [1].
Реализация и введение в действие инновационного технологического оборудования с применением новейшего технического оснащения и аппаратно-программных комплексов в настоящее время считается наиважнейшим ориентиром в формировании инфраструктуры вагонного комплекса. Для этого необходимы большие капитальные вложения, но в тоже время позволит сократить эксплуатационные издержки и увеличит объемы грузоперевозок [2].
В соответствии с ростом количества грузоперевозок, приоритетным направлением для ОАО «РЖД» считается увеличение производительности ж.д. станций, форсирование прохождения грузовых составов, пропорционально возрастанию скорости перевозки грузов.
С целью разрешения обозначенных вопросов необходима тотальная автоматизация производственных операций, относящихся к техническому обслуживанию транзитных грузовых поездов на железнодорожных станциях. Основополагающей составной частью считается осматривание подвижного состава на ПТО с целью обнаружения неисправностей [3].
Функция минимизации длительности реализации данной процедуры играет важную роль на уменьшение вагонооборота, увеличению скорости движения поездов, и вследствие этого на предоставлении гарантии доставки груза в короткий срок.
Вместе с тем, на ПТО при проведении осмотра подвижного состава осуществляется обнаружение неисправностей и дефектов, потенциальных для безопасности движения и целостности доставляющихся грузов, в том числе выполняется и их устранение [4].
Вследствие этого, оптимизация деятельности ПТО ж.д. станций, в качестве определяющего участка, осуществляющих осмотр грузовых вагонов в эксплуатации, представляет собой актуальную задачу [5,6].
Безусловно, ориентация видоизменения технического процесса эксплуатационных подразделений определяется в автоматизации метода исполнения, а именно введение в действие автоматических программно-управляемых комплексов [7].
В рамках поддержания безопасности движения на должном уровне в вагонном хозяйстве реализован технологический процесс осмотра грузовых поездов на ПТО [8].
Технологический процесс построен на основе зрительного и звукового обследования деталей, узлов и оборудования грузовых вагонов, находящихся на путях станции. Главная задача процесса осмотра поездов акцентируется на обнаружении дефектов и неисправностей, представляющих угрозу обеспечения безопасности движения и недопустимость, негодных к эксплуатации грузовых вагонов, без соответствующего ремонта либо отцепление больных вагонов от состава [9,10].
