Сравнительный анализ технических характеристик электровозов серий «o’z-elr» и «O’zbekiston» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.333

И. П. Викулов, Т. М. Назирхонов

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИЙ «O'Z-ELR» И «O'ZBEKISTON»

Дата поступления: 17.12.2018 Решение о публикации: 24.01.2019

Аннотация

Цель: Выбор оптимального варианта компоновки тягового привода электровозов переменного тока при организации электротягового движения в Республике Узбекистан; выполнение анализа параметров участка эксплуатации электровозов «Ангрен-Пап», сравнение технических характеристик электровозов серий «O'zbekiston» и «O'Z-ELR», дать рекомендации по выбору базовой компоновки тягового привода электровозов переменного тока для железных дорог Узбекистана. Методы: Сравнительный анализ технических характеристик электровозов нового поколения производится на базе системного подхода. Результаты: Рассмотрены этапы развития тягового обеспечения на примере железнодорожной линии «Ангрен-Пап» Республики Узбекистан. Проведен сравнительный анализ тяговых и тормозных характеристик, силовых электрических схем, механической части, компоновки электрооборудования электровозов серий «O'zbekiston» и «O'Z-ELR». Установлены эксплуатационный и технико-экономический эффекты от использования электровозов на участках эксплуатации в Республике Узбекистан. Определены преимущества электровозов серии «O'Z-ELR» в части высокой надежности тягового привода и реализации большей силы тяги за счет поосного регулирования по сравнению с электровозами серии «O'zbekiston». Практическая значимость: Применение в эксплуатации электровозов серии «O'Z-ELR» на новых электрифицированных железнодорожных участках снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт, а также позволяет увеличить средний вес поезда и грузооборот на участках эксплуатации с горным профилем.

Ключевые слова: Электровозы переменного тока, асинхронный тяговый привод, статический преобразователь, система управления.

Ilia P. Vikulov, Cand. Tech. Sci., associate professor, [email protected]; *Tologan M. ugli Nazi-khronov, postgraduate student, [email protected] (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF "O'Z-ELR" AND "O'ZBEKISTON" SERIES ELECTRIC LOCOMOTIVES: COMPARATIVE ANALYSIS. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-68-76

Summary

Objective: To select an optimum power actuator version for alternating current locomotives during the organization of service in the Republic of Uzbekistan. To conduct the parameter analysis of the running section for "Angren-Pap" electric locomotives, to compare performance characteristics of "O'zbekiston" and "O'Z-ELR" series electric locomotives, as well as to give recommendations on the selection of a power actuator basic version of alternating current locomotives for Uzbekistan railways. Methods: Comparative analysis of the new generation electric locomotives performance characteristics is carried out on the basis of systems approach. Results: The development stages of traction power supply were considered by the example of the "Angren-Pap" railway line in the Republic of Uzbekistan. The comparative analysis of traction and braking performance, powered electric circuits, hardware, electric equipment layout of "O'zbekiston" and "O'Z-ELR" series electric locomotives was conducted. An operational and techno-economic effect from utilization of electric locomotives was established at the running section in the Republic of Uzbekistan. The advantages of "O'Z-ELR" series electric locomotives were determined; the former included the reliable power actuator and greater hauling power realization

by means of axle-by-axle regulation compared to "O'zbekiston" series electric locomotives. Practical importance: Running of "O'Z-ELR" series electric locomotives at the new electrified railway sections makes it possible to cut the expenses on technical maintenance and to increase the average trainload and freight turnover at running sections with rock profile.

Keywords: Alternating current locomotive, asynchronous power actuator, static converter, operating systems.

Введение

К приоритетным задачам АО «Узбекистан темир йуллари» относится повышение скоростей движения пассажирских и грузовых поездов на железных дорогах Узбекистана для удовлетворения потребностей социально-экономического развития страны. С увеличением объемов перевозок и стоимости энергоресурсов, в том числе электроэнергии, возникает потребность в снижении затрат на тягу поездов. Возможности уменьшения затрат изыскиваются как на тяговом подвижном составе, так и в системе электроснабжения. К важным шагам в этом направлении относится внедрение надежных и экономичных статических преобразователей в качестве тяговых на электровозах и электропоездах.

Новая электрифицированная железнодорожная линия в Республике Узбекистан

Особое значение для развития железнодорожной сферы имеет новая электрифицированная железнодорожная линия «Ангрен-Пап», которая связывает центральную часть Узбекистана с областями Ферганской долины и служит важнейшим звеном транснационального транспортного коридора, соединяющего Европу с Азией. Это дорога, протяженностью 124,14 км, имеет 19-километровый железнодорожный тоннель через перевал Камчик, высота которого составляет свыше 2,2 тыс. м над уровнем моря. Она играет огромную стратегическую роль в перспективном развитии экономики Узбекистана. Ввод в эксплуатацию данного участка обеспечил завершение фор-

мирования единой по всей территории страны железнодорожной транспортной системы

[1-3].

Железнодорожная линия «Ангрен-Пап» обслуживается локомотивным депо «Узбекистан». Эксплуатационный парк депо в основном составляют электровозы старого поколения серии ВЛ80 с и нового поколения серии «О^Ьек181оп». Партия односекционных электровозов с асинхронным тяговым приводом серии «О^Ьек181оп» в количестве 11 шт., произведенных на Чуджоуском электровозостроительном заводе в Китае, была закуплена в 2003 г. для замены электровозов ВЛ60 к и ВЛ80 с. Опыт эксплуатации электровозов «О^Ьек181оп» на горном участке «Ангрен-Пап» показал недостаточность тяговых и тормозных характеристик для вождения грузовых и пассажирских поездов требуемой массы. С целью повышения провозной способности участка «Ангрен-Пап» АО «Узбекистон те-мир йуллари» в 2015 г. закуплены электровозы повышенной мощности серии «О^-БЬЯ» с асинхронным тяговым приводом.

Для обоснованного применения на железных дорогах Узбекистана современного тягового подвижного состава проведем сравнение технико-экономических показателей и конструктивных особенностей электровозов серий «О^-БЬЯ» и «О^Ьек181оп».

Основные характеристики электровозов серий «O'zbekiston» и «О^^И»

Шестиосный электровоз переменного тока серии «О^Ьек181оп» (рис. 1, а) оборудован асинхронным тяговым электроприводом,

а

Рис. 1. Электровозы серий «О

тяговыми преобразователями на базе СГО-тиристоров, микропроцессорной системой управления, потележечным регулированием силы тяги и торможения [1, 2].

Шестиосные электровозы переменного тока серии «О^-БЬЯ» (рис. 1, б) разработаны с учетом последних тенденций в области электровозостроения. Их характерной особенностью является применение тяговых преобразователей на базе ЮВТ-транзисторов для асинхронного тягового электропривода, микропроцессорной системы управления, поосно-го регулирования силы тяги и торможения, а также модульной компоновки электрооборудования. Основные технические характеристики электровозов показаны в таблице.

Тяговая и тормозная характеристики электровозов

Пусковая тяговая сила электровоза серии «О^-БЬЯ» составляет 490 кН, что на 9 % больше, чем у серии «О^Ьек181оп». По тормозным характеристикам разница доходит до 18 %, что можно увидеть на рис. 2, а, б. Повышение пусковой и тормозной характеристик электровоза достигается за счет применения новых ТЭД мощностью 1250 кВт и поосного регулирования [3, 4].

б

zbekiston» (а) и «O'Z-ELR» (б)

Механическая часть электровозов

Проектирование и изготовление механической части электровоза серии «О^Ьек181оп» осуществлял Чуджоуский электровозостроительный завод. Основные особенности механической части состоят в том, что у электровоза имеются три двухосных тележки (рис. 3, а), которые соединены между собой тягами для улучшения входа и прохождения кривых. Преимущество двухосных тележек заключается в том, что они хорошо вписываются в кривые на больших скоростях. Кроме того, оси этих тележек могут быть ближе расположены к сцепным осям, что обеспечивает меньшее напряжение верхнего строения пути, и, наконец, они имеют лучшую способность самоустанавливаться (отсутствие косины) относительно рельсовых ниток [5].

Кузов и механическая часть электровоза серии «О^-БЬЯ» спроектированы Даляньской локомотиво-вагоностроительной компанией ЛТД (КНР). Кузов грузового электровоза (см. рис. 1, б) изготовлен на основе кузова электровоза серии НХёЗС (китайский шестиос-ный серийный электровоз переменного тока ИХёЗС, построенный в 2010 г. Даляньской локомотиво-вагоностроительной компанией ЛТД (КНР)) и во многом унифицирован с ним. Основные особенности механической части

Сравнительная техническая характеристика электровозов серий «O'zbekiston» и «O'Z-ELR»

Параметры «O'zbekiston» «O'Z-ELR»

Чжучжоуская Даляньская локомотиво-вагоно-строительная компа-

Завод-изготовитель электровозостроительная компания CSR (КНР)

ния ЛТД CNR (КНР)

Тип электровоза Грузо-пассажирский Грузо-пассажирский

Вес, т 138 ± 2 138 ± 2

Длина кузова, мм 21 980 21 170

Мощность, кВт 6000 7200

Эксплуатационная скорость, км/ч 120 120

Максимальная конструкционная скорость, км/ч 130 134

Рабочее напряжение, Вт 25 000 25 000

Частота тока, Гц 50 50

Осевая нагрузка, т 23 23

Осевая формула ВО-ВО-ВО Со-СО

Диаметр колесной пары, мм 1250 1250

Начальная сила тяги, кН 450 490

Электрическая сила торможения, кН 285 336

Тип и мощность тягового электродвигателя, кВт Асинхронный, 1024 (Siemens) Асинхронный, 1250 (Toshiba)

Передаточное отношение тяги 4,7 (103/23) 4,81 (101/21)

Работоспособность при температуре окружающей среды, °С -30...+50 -50. +50

Пневматическая Пневматическая

Система торможения и электрическая и электрическая

рекуперативная рекуперативная

Тип управления торможением Механический кран Микропроцессорный кран (MTZ)

Количество мотор-вентиляторов охлаждения ТЭД 6 2

Тяговый преобразователь GTO (Siemens) IGBT (Toshiba)

Тип установленных тормозных колодок Чугунные Композиционные

Датчики контроля нагрева букс Отсутствуют Установлены

Цепи питания ТЭД Комбинированные (один инвертор для 2 ТЭД) Индивидуальный (инвертор и выпрямитель для каждого ТЭД свой)

Компрессор малогабаритный Масляный Поршневой (безмасляный)

F, кН

600

500 490

400 450~

300

200

100

0

а

370

410 • Ч

ч.

220

180

i: :: -: î: я; i:; 110 120

V, км/ч

B, кН 400 350 300 250 200 150 100 50 0

VI oooooooooooo T—I (s m Tf v, о r- 00 c?> о i— м

V, км/ч

Рис. 2. Тяговые (а) и тормозные (б) характеристики ЭПС: серия электровоза: пунктирная линия - «О^-ББЯ», сплошная - «О'гЪе^Шп»

а

состоят в том, что у электровоза имеются две трехосных тележки (рис. 3, б), отличающиеся тем, что они легче преодолевают неровности пола [6].

Особенности электрической схемы

К особенностям электрических схем электровозов относится тип тягового преобразова-

теля - переменно-постоянно-переменный. Электрическая часть электровозов серии «O'zbekiston» (рис. 4, а) изготовлена по патенту компании Siemens AG. В разработке электрической части электровозов серии «O'Z-ELR» (рис. 4, б) приняла участие компания Toshiba [7, 8].

В отличие от электровозов серии «O'zbe-kiston» тяговые преобразователи электровозов серии «O'Z-ELR» оснащены IGBT-тран-

У

25 кВ

PI

0

3№

гЕЕЭп

4q-S

4q-S

ч=ь

faf Т

4q-S

4q-S

4q-S

тога

АИН

АИН

-тХ-

АИН

АИН

ZXI

25 кВ

што

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема электровоза серии «O'zbekiston» (а)

и «O'Z-ELR» (б)

а

б

ht t

■ч J 1

I

J w, (Hi! Iff Villi

H 1 1 Jti 1, II J

A И л .A

A Y ^

\ л л

N К KV ) V

/ ■Vi \ t

\ N. / у f г

1 1

Рис. 5. Осциллограммы выходного напряжения и тока преобразователей: а - на GTO-тиристорах; б - на IGBT-транзисторах

б

а

u

u

2

t

2

t

зисторами, что повышает качество управления тяговым приводом за счет более высоких частотных характеристик транзисторных модулей. Диаграмма напряжений и токов фазы автономного инвертора напряжения (АИН) показана на рис. 5 [8-13].

Эксплуатация и технико-экономический эффект электровозов

Новые электровозы серии «О^-БЬЯ» предназначены для эксплуатации в сложных горных условиях и имеют ряд преимуществ по сравнению с электровозами других производителей. В частности, расход электроэнергии на тягу поездов здесь ниже на 5-8 % за счет применения рекуперативного торможения, а повышенная мощность позволяет в горных условиях осуществлять вождение грузовых поездов массой 4500-4700 т [14, 15].

Введение электровоза серии «О^-БЬЯ» в эксплуатацию позволило увеличить средний вес поезда и грузооборот на участке «Ангрен-Пап». Это дало ощутимый технико-экономический эффект. По данным компании АО «Узбекистон темир йуллари» применение электровозов на участке «Ангрен-Пап»

привело к сокращению на 25 % трудоемкости технического ремонта, на 40 % затрат на материально-техническое обеспечение технических обслуживаний и ремонтов, а также к уменьшению на 10 % расхода потребляемой электроэнергии за счет использования рекуперативного торможения и увеличения на 12 % среднего веса перевозимых поездов [15].

Заключение

Опыт обслуживания электровозов серии «O'Z-ELR» показал снижение затрат по сравнению с серией «O'zbekiston» на техническое обслуживание и ремонт электровозов благодаря понижению трудоемкости ремонта, стоимости запасных частей и времени простоя в ремонтах.

За все время эксплуатации электровозов серьезных поломок практически не случалось. Замене подлежали лишь быстро изнашиваемые элементы. Неполадки наблюдались в основном в начальный период эксплуатации, которые быстро устранялись представителями завода и компании Toshiba [7].

Результаты, полученные в ходе опытной эксплуатации, позволяют обоснованно ре-

комендовать к применению на новых электрифицированных участках железных дорог Узбекистана электровозы серии «О^-БЬЯ» как более надежные и экономически эффективные по сравнению с электровозами серии «О^ЬеЫзШп».

Библиографический список

1. Абдуллаев А. А. Достижения ГАЖК «Узбекистан темир йуллари» / А. А. Абдуллаев // ГАЖК Узбекистон темир йуллари : презентация. - Ташкент : ГАЖК, 2009. - С. 32-35.

2. Плакс А. В. Электровоз «Узбекистон» / А. В. Плакс, Д. О. Раджибаев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2009. - № 3. -С. 47-56.

3. Овчинников А. Н. Скоростное и высокоскоростное движение на железных дорогах Узбекистана / А. Н. Овчинников, А. Ф. Расулов, З. Т. Фо-зилов // Путь. - 2012. - № 5. - С. 65-67.

4. Плакс А. В. Электровоз серии «О^Ье^кт» / А. В. Плакс, Д. О. Раджибаев, Х. М. Турсунов // Вестн. ВЭЛНИИ. - Новочеркасск : ВЭЛНИИ, 2011. - № 1. - С. 114-127.

5. Назирхонов Т. М. Обслуживание тяговых преобразователей на электрическом транспорте Узбекистана / Т. М. Назирхонов // X Междунар. науч.-практич. конференция «ТКАКБ-МБСИ-АЯТ-СНБМ». - М. : МИИТ, 2014. - С. 80-81.

6. Плакс А. В. Новый пассажирский электровоз серии «О^-У» / А. В. Плакс, Д. О. Раджибаев, Х. М. Турсунов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - № 1. -С. 237-240.

7. Мощный электрический локомотив с приводом переменного тока типа СКБ2. Руководство машиниста по эксплуатации. - Ташкент, 2014. -120 с.

8. Литовченко В. В. 4д-5" четырехквадрант-ный преобразователь электровозов переменного тока / В. В. Литовченко // Изв. вузов. Электромеханика. - 2000. - № 3. - С. 64-73.

9. Плакс А. В. Системы управления электрическим подвижным составом : учебник для вузов ж.-д. транспорта / А. В. Плакс. - М. : Маршрут, 2005. - 357 с.

10. Турсунов Х. М. Современные электровозы для железной дороги Республики Узбекистан / Х. М. Турсунов // Технические науки - от теории к практике : сб. статей по материалам VI Междунар. науч.-практич. конференции. - Новосибирск : СибАК, 2012. - C. 75-78.

11. Kehrmann H. Vierquadrantsteller - eine netzfreundlieche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb / H. Kehrmann, W. Lienau, R. Nill // Elektrische Bahnen. - 1974. - Т. 45, H. 6. -S. 135-142.

12. Вольвич А. Г. Системы управления электроподвижным составом на современной элементной базе / А. Г. Вольвич, В. Н. Плис, Б. И. Хоменко // Сб. науч. трудов Всерос. науч.-исслед. и проект. конструкт. ин-та электровозостроения. - Новочеркасск, 1999. - № 41. - С. 27-32.

13. Милешин В. Применение микропроцессоров в системах управления транзисторных выпрямителей / В. Милешин, Д. Овчинников // Силовая электроника. - 2005. - № 4. - С. 50-53.

14. Бахвалов Ю. А. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов, Г. А. Бузало, А. А. За-рифьян и др. - М. : Маршрут, 2006. - 374 с.

15. Статистическая информация по итогам работы АО «Узбекистон темир йуллари» за I полугодие 2018 года. - URL : http://railway.uz/ru/ gazhk/statisticheskie-dannye (дата обращения : 23.11.2018).

References

1. Abdullayev А. А. Dostizheniya GAZhK "Uzbekistan temir yullary" [Achievements of GAZhK "O'zbekiston temir yo'llari"]. Tashkent, GAZhK Publ., 2009, pp. 32-35.

2. Plaks A. V. & Radzhibaev D. O. Elektrovoz "Uzbekistan" ["Uzbekistan" electric locomotive]. Izvestiya Peterburgskogo Universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, Petersburg Transport University Publ., 2009, no. 3, pp. 47-56. (In Russian)

3. Ovchinnikov A. N., Rasulov A. F. & Fozilov Z. T. Skorostnoye i vysokoskorostnoye dvizheniye na zheleznykh dorogakh Uzbekistana [Rapid and high-

speed running on the Railways of Uzbekistan]. Put [The Path], 2012, no. 5, pp. 65-67. (In Russian)

4. Plaks A. V., Radzhibaev D. O. & Tursunov Kh. M. Elektrovoz serii «O'zbekiston» [The electric locomotive of «O'zbekiston» series]. Vestnik Vserossiyskogo nauchno-issledovatelskogo i proektno-konstruktor-skogo instituta elektrovozostroyeniya [Bulletin of All-Russian Scientific-Research Design and Construction Institute of Electric Locomotive Building]. Novocherkassk, All-Russian Scientific-Research Design and Construction Institute of Electric Locomotive Building Publ., 2011, no. 1, pp. 114-127. (In Russian)

5. Nazikhronov T. M. Obsluzhivaniye tyagovykh preobrazovateley na elektricheskom transporte Uzbeki-stana [Maintenance of traction converters on Uzbekistan electric transport]. SbornikXMezhdunar. nauch.-praktich. konferentsii "TRANS-MECH-ART-CHEM" [Coll. papers of the 10th International research and training conference "TRANS-MECH-ART-CHEM"]. Moscow, Russian University of Transport (MIIT) Publ., 2014, pp. 80-81. (In Russian)

6. Plaks A. V., Radzhibaev D. O. & Tursunov Kh. M. Noviy passazhirskiy elektrovoz serii "O'Z-Y" [The new «O'Z-Y» series passenger electric locomotive]. Naucniye problemy transporta Sibiry [Scientific transport issues of Siberia and the Far East], 2011, no. 1, pp. 237-240. (In Russian)

7. Moshchniy elektricheskiy lokomotiv s privodom peremennogo toka tipom CKE2 [High-powered electric locomotive with CKE2 type alternating-current drive]. Rukovodstvo mashinista po ekspluatatsii [Service instruction]. Tashkent, 2014, 120 p. (In Russian)

8. Litovchenko V. V. 4q-S chetyrekhkvadratniy pre-obrazovatel elektrovozov peremennogo toka [A 4q-S four-quadrant converter of alternating current locomotives]. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika [Proceedings of Higher Educational Institutions. Electromechanics], 2000, no. 3, pp. 64-73. (In Russian)

9. Plaks A. V. Sistemy upravleniya elektricheskym podvizhnym sostavom [Operating systems of electric vehicles]. College textbook for transport universi-

ties. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 357 p. (In Russian)

10. Tursunov Kh. M. Sovremenniye elektrovozy dlya zheleznoy dorogy Respubliky Uzbekistan [Modern electric locomotives for railways of the Republic of Uzbekistan]. Tekhnicheskiye nauky- ot teoriik prak-tike [Engineering sciences - from theory to practice]. Sbornik statey po materialam VI Mezhdunar. nauch.-praktich. konferentsii (Coll. papers of the 6th International research and training conference). Novosibirsk, SibAC Publ., 2012, pp. 75-78. (In Russian)

11. Kehrmann H., Lienau W. & Nill R. Vierquadrantsteller - eine netzfreundlieche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrie. Elektrische Bahnen, 1974, T. 45, H. 6, S. 135-142.

12. Volvich A. G., Plis V. N. & Khomenko B. I. Siste-my upravleniya elektropodvizhnym sostavom na sovre-mennoy elementnoy baze [The electric stock operating systems on modern element base]. Sbornik Vserossiyskogo nauchno-issledovatelskogo i proektno-kon-struktorskogo instituta elektrovozostroyeniya [Coll. papers of All-Russian Scientific-Research Design and Construction Institute of Electric Locomotive Building]. Novocherkassk, 1999, no. 41, pp. 27-32. (In Russian)

13. Mileshin V. & Ovchinnikov D. Primeneniye mikroprotsessorov v sistemakh upravleniya tranzis-tornykh vypryamiteley [Application of microprocessor units in operating systems of solid-state rectifiers]. Silovaya elektronika [Power electronics], 2005, no. 4, pp. 50-53. (In Russian)

14. Bakhvalov Yu. A., Buzalo G. A., Zarifjan A.A. et al. Dinamicheskiye protsessy v asynkhronnom tya-govom privode magistralnykh elektrovozov [Dynamic processes in asynchronous power actuator of mainline electric locomotives]. Moscow, Marshrut Publ., 2006, 374 p. (In Russian)

15. Statisticheskaya informatsiyapo itogam raboty AO "O'zbekiston temir yo'llari" za 1 polugodiye 2018 goda [Half-yearly statistics data on the basis of AO "O'zbekiston temir yo'llari" performance in 2018]. URL: http://railway.uz/ru/gazhk/statisticheskie-dannye/ (accessed: 23.11.2018). (In Russian)

ВИКУЛОВ Илья Павлович - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; *НАЗИРХОНОВ Тулаган Мансурхон угли - аспирант, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).