CC BY
85ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY
ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДУШКЕ
В.А. Орлов
Республика Беларусь, Минск
Цель работы - исследование принципов работы магаитоподвесных транспортных средств и современного уровня развития транспорта, рассматриваемого в качестве промежуточного между железнодорожным и воздушным видами. Были использованы материалы специализированных периодических изданий, в которых содержится информация об основных разработчиках магнитного подвеса, разновидностях и различиях систем, а также перспективах их внедрения. Рассмотрено современное состояние транспортных средств на «магнитной подушке», и мероприятия, направленные на совершенствование экспериментальных образцов этого вида транспорта, особенности их эксплуатации. Новым является не только физический принцип движения, но и наработанные возможности использования магнитоподвесных транспортных средств для обеспечения перевозок в различном сообщении. Оценены различные составляющие эксплуатации транспортных средств на «магнитной подушке», а также затраты, связанные с организацией их работы и потреблением ими топливно-энергетических ресурсов в сравнении с существующими видами пассажирского транспорта. Социальная значимость работы связана с необходимостью увеличения в объеме совершаемых населением передвижений доли видов транспорта, альтернативных автомобильному, а также воздушному.
"MAGNETIC PAD" VEHICLES
V.A. Orlov
Minsk, Belorussia
The purpose of the article is to investigate principles of magnetic suspender transportation vehicles' work and the modern level of transportation development regarded as an intermediate type between railway and air ones. Materials of specialized periodic issues were used in which information about basic developers of the magnetic suspender, variety and differences of systems and the perspectives of their introduction is reflected. The modern condition of vehicles on the "magnetic pad", perfection actions for experimental samples of this kind of vehicles, their operational features is analyzed. Physical principle of moving, ways of magnetic suspender vehicles' application to provide transportation in different ways is innovational. Different constitutional parts for "magnetic pad" vehicles' operation, their work organization and also fuel and energy resources consumption in comparison with existing public transportation types expenditures are evaluated. The social value of the work is connected with the need to increase the part of alternative to automobile and air types of transport for public transportation.
Введение
Посредством колеса человечество совершает, за малым исключением, все передвижения на суше (твердая среда). Для передвижений по воде, морскими и речными видами транспорта, на которые приходится и более 3/5 мирового грузооборота, также используются колесные конструкции: винт, гребные колеса судовых двигателей.
Традиционная железнодорожная технология, основанная на взаимодействии «колесо - рельс» и непрерывно совершенствующаяся в течение более 180 лет, по мнению многих, уже подошла к пределу своих технических возможностей и дальнейшему ощутимому количественному и качественному прогрессу.
Каким быть промежуточному - между железнодорожным и воздушным - виду транспорта? Что сменит пресловутый «колесно-рельсовый привод»?
Предлагаемое с начала 1960-х годов решение -транспортное средство на воздушной подушке, когда в пространстве под днищем экипажа давление возду-
ха повышается до значения, позволяющего компенсировать массу экипажной части. Поддержание необходимого зазора обеспечивается восполняющей утечку воздуха компрессорной установкой.
В указанной схеме изучалось несколько вариантов обеспечения подъема и последующего передвижения:
1) традиционная аэродинамическая опора или вязкостное ограничение потока воздуха между двумя близко пролегающими поверхностями;
2) обеспечение необходимого ограничения потока воздуха путем преобразования давления воздуха в кинетический момент при выходе потока из зоны повышенного давления в атмосферу - «камера повышенного давления».
Ряд разработок (к примеру, «АиИшп») был воплощен в опытные конструкции, но транспортные средства на воздушной подушке требовали большого расхода энергии на «поддержание» подушки, сложного путевого полотна, ровного пути, их движение сопровождалось высоким уровнем шума.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Изучение возможности будущей замены колесно-рельсовых видов транспорта развивалось в направлении совершенствования линейной тяги и замены ходовой части традиционного подвижного состава магнитным полем, регулируемым сложной силовой электроникой.
Магнитный подвес -глубокое развитие линейной тяги
Описание
Линейный двигатель передает тяговое и тормозное усилия без контакта между вагоном и путевой структурой - за счет возникающего магнитного поля. Однако общие принципы ротационных двигателей сохраняются и здесь. Активная часть синхронного или асинхронного двигателя (называемая в ротационном «статор») вырабатывает под действием подаваемого 3-фазного тока бегущее магнитное поле, увлекая за собой пассивную часть (ротор) (рис. 1).
Питание обоих узлов: ротора и статора синхронного двигателя. Это затруднение позволяет преодолеть «пиловидная» система полюсов: магнитный (однонаправленный) поток передается через воздушный зазор от движущихся к стационарным частям линейного двигателя, а многофазный переменный ток подается к обмотке ротора, обеспечивая бегущее магнитное поле.
Использование на пассажирской работе транспортных средств с линейным двигателем Считается, что впервые в мире линейный двигатель для пассажирских перевозок был использован в 1984 г. В аэропорту Бирмингема на участке длиной 620 м стали обращаться 2-вагонные кабинки (на 38 пассажиров), приводимые в движение линейным двигателем.
В отличие от использования асинхронного линейного двигателя с коротким статором, в Берлинской М-БаЬл (рис. 2) использовался синхронный двигатель с длинным статором и постоянными магнитами. Внедрение М-БаЬи было достаточно долгим.
Рис. 1. Сравнение обычных и ротационных двигателей Fig. 1. Ordinary and rotary engines comparison
Когда активная часть находится в пути (длинный статор), вагон имеет малую массу с большим полезным объемом, установленная мощность экономично (большая при ускорении, малая в установившемся режиме) приспосабливается к условиям трассы. Линейный синхронный двигатель с длинным статором создает бегущее магнитное поле, которым (своими магнитами подвеса, действующими как система возбуждения) увлекается поезд. При синхронных двигателях с длинным статором подвешиваемые на вагоне магниты являются реактивной частью (ротором).
Линейный двигатель с длинным статором в пути подразделен на отдельные участки, из которых включается и снабжается электроэнергией от подстанции только тот, в пределах которого находится состав.
Линейный асинхронный электродвигатель обладает преимуществом, заключающимся в том, что электропитание поступает лишь к одной из взаимодействующих электромагнитных цепей; генерирование реактивных токов в другой цепи осуществляется индукционным путем.
Рис. 2. M-Bahn: 1 - путевой короб; 2 - решетчатая площадка; 3 - первичное подвешивание; 4 - ходовая часть (структура «тележка-основание»); 5 - направляющие ролики для стрелок; 6 - горизонтальные направляющие ролики; 7 - постоянные магниты; 8 - статор вдоль пути; 9 - вертикальные направляющие ролики; 10 - подвеска «кузов-основание»;
11 - токосъем; 12 - вспомогательное питание 220 В; 13 - волновые направляющие; 14 - кабельная оболочка Fig. 2. «М-Bahn», in which: 1 - track box; 2 - grating platform;
3 - primary suspension; 4 - running gear ("cart - base" structure); 5 - guide rollers for railway points; 6 - horizontal guide rollers; 7 - permanent magnet; 8 - stator along the way;
9 - vertical guide rollers; 10 - "body-base" suspender;
11 - current pick-off; 12 - additional 220 V charging;
13 - undulatory guide rollers; 14 - cable sheath
£ i
95
Первые испытания на участке длиной 1,4 км в Брун-свикском университете проводились еще в 1976 г., пробег опытного вагона превысил 400 тыс. км. Опытные испытания без пассажиров на 600-метровом участке в Зап. Берлине проводились с конца 1984 г.
Рис. 3. Путевая структура: 1 - статор с бегущим магнитным полем; 2 - обмотка статора; 3 - путевая структура; 4 - горизонтальный направляющий ролик; 5 - вертикальный направляющий ролик; 6 - тележка вагона; 7 - каток для прохождения стрелочных переводов; 8 - кабельный канал;
9 - опора магнитов; 10 - постоянные магниты Fig. 3. Track structure, in which: 1 - starter with a streaming magnetic field; 2 - winding stator; 3 - track structure; 4 - horizontal guide roller; 5 - vertical guide roller; 6 - car carriage; 7 - roller for switch transit; 8 - cable channel; 9 - bearing for magnets; 10 - permanent magnet
Тележки вагона, представляющие собой магнитные ползуны большой длины, движутся внутри путевой структуры (рис. 3), что исключает сход с пути и обеспечивает уменьшение общей высоты (преимущество при тоннельной трассировке).
Для экономии электроэнергии путь также был разделен на участки питания с собственным инвертором (50-300 м). В М-БаЬп скорость движения была недостаточна для генерирования токов питания вспомогательного оборудования, в связи с чем использовался внешний источник питания напряжением переменного тока 220 В с устройством токосъема.
Состав состоял из 3 алюминиевых вагонов (до 80 пассажиров). На удалении 25 м уровень шума при его движении не превышал 60 дБ(А).
Аналогичный М-БаЬп демонстрационный участок действовал и в Японии, где вагоны назывались Ж8Т. За время проведения международной выставки в Цукубе (1985 г.) вагон И88Т-Ехро перевез 610 тыс. пассажиров.
Регулярное движение с пассажирами по первой в мире линии с линейным двигателем было открыто в декабре 1985 г. в Ванкувере и стало главной достопримечательностью проводившейся здесь в 1986 г. Всемирной выставки.
По оси обычного рельсового пути (рис. 4) уложены статорные обмотки асинхронного линейного двигателя, а стальные бегунковые колеса уменьшенного диаметра выполняют лишь поддерживающие и направляющие функции. Таким образом, их тяга не зависит от сцепления колес с рельсами, что делает возможным преодоление подъемов с большими (до 10%) уклонами в любую погоду.
Рис. 4. Подвижной состав и путевое полотно «skyTrain» Fig. 4. «SkyTrain» rolling-stock and road bed
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Рельсы уложены прямо на бетон, между рельсами алюминиевые реактивные шины линейного двигателя, снаружи рельсов - токонесущие шины. Использованы различные типы «реактивных» рельсов (путевых статоров): там, где требовались повышенные усилия тяговых значений (станции, крутые уклоны), использовались «ламинированные» рельсы. Однако ходовые качества в этом случае были несколько хуже (значение тяги на выходе линейного электродвигателя зависит от показателя его скольжения), а уровень шума (особенно при трогании) выше, чем в ротационном приводе.
В мае 1985 г. в японской Осаке приступили к проведению испытаний на линии аналогичной конструкции, которая приняла пассажиров... также к открытию Всемирной выставки 1990 г. Как и в «8куТшп», главная катушка «плоского» (компактных размеров) линейного двигателя располагается на раме тележки. Зазор между главной катушкой и реактивным основанием пути шириной 360 мм составляет 12 мм.
Вместе с тем в отличие от «8куТгаш», где для питания бортовой схемы 3-фазного тока использован постоянный ток, снимаемый с контактного рельса, на рассматриваемой линии г. Осаки получение тока (1500 В) обеспечивает «воздушный» токосъем. Добавим, что в г. Ванкувере преобразование тока осуществлялось транзисторным инвертором, который настраивался на требуемое напряжение для обеспечения постоянного значения показателя скольжения.
На сегодняшний день линии метрополитена с линейным двигателем помимо Ванкувера действуют в Осаке (с 1990 г.), Торонто (с 1991 г.), Куала-Лумпуре (с 1996 г.), Нью-Йорке (с 2003 г.), причем во всех указанных городах, за исключением японской Осаки, движение составов (включая расстановку в депо) осуществляется без машиниста. Кроме этого, линейный двигатель применяется на составах монорельсовых дорог.
Из не относимых к городскому транспорту, применяемых в местах досуга линий, обслуживаемых составами с линейными двигателями, может быть отмечена связавшая аэропорт «Орландо» с Дисней-лэндом (Флорида, 1990 г.).
Классификация транспортных систем на магнитной подушке
Электромагнитный подвес
Исследования магнитолевитирующего вида транспорта в Германии, начатые Федеральным министерством по образованию, науке, исследованиям и технологии в первой половине 1970-х годов, развивались в направлении электромагнитного способа подвеса, получившего название «ТгашКар1&».
Общий принцип обеспечения движения
Электромагнитный подвес основан на притягивании классических электромагнитов, размещенных на подвижном составе, к магнитной поверхности путе-
вой структуры, представляющей собой стальную реактивную шину.
Вместо традиционной ходовой части и рельсового пути в «ТгашКар1&» используется система магнитного подвеса, направления и тяги.
Принцип движения транспортного средства в этом случае может быть описан следующим образом (рис. 5). Первичная секция (ротор) двигателя монтируется на днище вагона, вторичная секция (статор) укладывается в колее по всей длине пути. Статорные пакеты путевого полотна со специальной обмоткой и магнитное поле служат в качестве несущей системы транспортного средства - вырабатываемое электромагнитное поле (волна) обеспечивает движение поезда.
В подвагонном пространстве, как бы охватывающем колею, размещают электромагниты с линейным генератором и направляющие электромагниты. Электромагниты боковых крыльев вагонов, охватывающих стальной рельс, размещают таким образом, что каждый может занимать положение, соответствующее конфигурации путевого полотна. Каждый левитационный магнит имеет в своих полюсах соответствующие обмотки, и при движении магнитов вдоль статора во время поездки индуцируется электроэнергия.
Рис. 5. Транспортное средство и устройство пути «TransRapid» Fig. 5. «TransRapid» vehicle and road device
Другими словами, основой электромагнитного подвеса являются силы притяжения между установленными на вагоне индивидуально регулируемыми электромагнитами и ферромагнитными реактивными шинами (феррорельсами), расположенными на нижней стороне пути. В данном случае действует принцип линейного электрического двигателя: статор исполнен в развернутом виде и интегрирован в несущую структуру, а роль ротора выполняют магниты подвеса, смонтированные на поезде. Когда на развернутую статорную обмотку с обоих концов подается напряжение переменного трехфазного тока, в ней возникает линейно перемещающееся магнитное поле вместо вращающегося. Это поле увлекает за собой ротор, а с ним и весь поезд.
Ж
97
Сила тяги и скорость движения поезда регулируются путем изменения амплитуды напряжения и частоты. Тяговое усилие регулируется плавным изменением частоты 3-фазного тока, путем изменения напряжения. Соответствующий преобразователь установлен в кабине вагона. При перемене магнитного поля изменяется и направление тяговой силы.
Торможение поездов в системе «ТгашКар1&» также осуществляется без использования сил трения. Переключив направление линейного перемещения магнитного поля, систему переводят из режима двигателя в режим генератора. Поезд замедляется, а вырабатываемая при этом энергия возвращается в сеть. Таким образом, тормозная сила и величина замедления ограничиваются только величиной, выше которой пассажиры могут испытывать неприятные ощущения.
При соответствующем расстоянии и достаточно быстром регулировании магнитного потока подвес позволяет нести полезную нагрузку в 15 раз больше собственного веса вагона.
Магнитные части конструкции
Магниты выполняют несущую и ведущую функции, а линейный двигатель, монтируемый на самом пути, - приводную.
Система подвеса состоит из электромагнитов, симметрично расположенных с обеих сторон вдоль всего поезда, которые притягиваются статорной обмоткой, уложенной в путевую структуру на нижней поверхности ее несущей балки. Сила притяжения электромагнитов автоматически регулируется с помощью электроники таким образом, что ее величина уравновешивает силу тяжести при сохранении воздушного зазора заданной величины между магнитами поезда и путевой структуры. Направление движения обеспечивают расположенные с обеих сторон поезда электромагниты с электронным регулированием, которые взаимодействуют с реактивными шинами, закрепленными с обеих сторон балок путевой структуры по всей ее длине.
Отметим, что магниты подвеса вагонов состава устанавливаются отдельно и, имея две степени свободы, регулируются индивидуально, чем приспосабливаются к форме трассы. Среди прочего это облегчает раму вагона, которая рассчитывается только на прочность, а не на жесткость.
Удержание вагона над путевым полотном
Подвес и тягу (движение вагона) обеспечивает сила притяжения, возникающая между электромагнитами состава и реактивной шиной в пути. Необходимое расстояние между эстакадным путевым полотном и днищем транспортного средства в парящем над направляющей структурой состоянии (в т.ч. во время стоянки) поддерживают электронные устройства.
Надежная резервированная система электронного регулирования обеспечивает слежение за тем, чтобы зазор между не касающимися пути несущими и направляющими магнитами подвеса и путевой структурой в среднем поддерживался равным 10-15 мм. В
свою очередь расстояние между днищем кузова и поверхностью пути составляет 15 см. Благодаря этому небольшие предметы или снежный покров, оказавшиеся на несущей структуре, не являются помехой движению магнитоподвесного поезда.
Оценка воздушного зазора в любой момент времени необходима ввиду возможной неустойчивости магнитного притяжения, тогда как сила притяжения между поездом и полотном должна быть строго определенного значения, ведь ее ослабление вызывает уменьшение воздушного зазора, а «растягивание» магнитной цепи - ослабление магнитного потока и останов состава.
Устройство пути
Путевая структура «ТгашКар1&» с интегрированным тяговым приводом и поезд образуют одно целое - в путевом полотне уложен статор линейного двигателя.
Путевая структура (путь) линии на магнитном подвесе требует меньшей полосы отвода, чем в системе «колесо - рельс», так что ее трассировка может выполняться более гибко. Трассирование магнитной дороги имеет другие благоприятные характеристики:
- радиусы кривых менее 3 тыс. м при скорости движения около 400 км/ч (на обычной железной дороге - 5-7 тыс. м). Это связано с тем, что, во-первых, тяга поезда не зависит от сил трения, во-вторых, поезд, основание которого охватывает балку путевой структуры, не может быть опрокинут в случае сильного бокового ветра на участке с максимальным поперечным наклоном. Однако при трассировке линии на магнитном подвесе в профиле участки с разными уклонами должны стыковаться с помощью переходных круговых кривых. Радиусы этих кривых, пропорциональные квадрату сопротивления движению, в значительной степени усложняют этот процесс;
- существенно больше для магнитопоезда преодолеваемый подъем (уклоны до 10 в сравнении с 4%), т.е. значения продольного уклона профиля определенным образом ускоряют сооружение трассы, что позволяет легче вписаться в ландшафт местности (не требуя, к примеру, выемок и насыпей).
В определенном смысле непростые топографические условия делают магнитный подвес, легко приспосабливающийся к пересеченной местности, более привлекательным. Кроме того, путевая структура «ТгашЯар!^ испытывает меньшие эксплуатационные нагрузки, имеющие к тому же иной, значительно более щадящий характер, чем на железнодорожной линии. При этом она может быть смешанной трассировки - проходить по эстакаде и в тоннеле.
Однако отдельные специалисты указывают на то, что пониженным затратам при трассировке линии на магнитном подвесе противостоит высокая стоимость ее путевой структуры с интегрированным развернутым статором линейного синхронного двигателя. В целом же на укладку путевого полотна приходится до 80% всех затрат по строительству магнитоподвес-ной дороги.
Кроме того, техника магнитного подвеса, хотя и характеризуется отсутствием механического износа, все же не позволяет исключить необходимость проведения технического обслуживания полностью, поскольку вибрации элементов путевой структуры под действием нагрузок, коррозия и другие факторы неизбежны.
Облегчают путевую структуру за счет установки полых бетонных балок. Вид фундамента под опоры эстакады выбирают в зависимости от типа грунта. В основном используют плитные фундаменты мелкого заложения. Свайные используют лишь в зонах со сложными грунтами.
Составы могут переходить на другой путь по стальным выгибаемым стрелкам, которые выполнены из сплошной стальной упругой балки длиной 70200 м, изгибающейся для ответвления с помощью гидро- или электромеханического исполнительного привода.
Хотя и считалось возможным связать магнитный путь с обычной железнодорожной сетью с помощью бивалентного пути, совмещающего колеса обеих транспортных систем, местами стыкования системы «TransRapid» с железнодорожной сетью, видимо, должны быть главные вокзалы. Если же в существующую густую сеть железнодорожных линий включить небольшие участки системы «TransRapid», они станут точками разрыва сети, что уменьшит число сквозных маршрутов и увеличит число вынужденных пересадок.
Энергоснабжение системы
Как известно, потребление энергии на тягу в системе «колесо - рельс» определяется силами трения скольжения в контакте, необходимыми для передачи силы тяги, и зависит от массы единицы подвижного состава. Что касается транспортных средств на магнитной подушке, то системы их подвеса и направления, как и бортовые устройства, запитываются бесконтактно - от линейных генераторов в магнитах подвеса.
Для колесных транспортных средств сопротивление движению на прямом горизонтальном участке складывается, в основном, из сопротивления воздуха, трения качения колес и трения в подшипниках. Две последние составляющие в системе «TransRapid» не существуют.
В данном случае речь может идти только о следующих факторах, воздействующих на энергопотребление:
- коэффициенте аэродинамического сопротивления, умноженном на площадь поперечного сечения;
- передаче тягового усилия и направления;
- электромеханическом преобразовании энергии;
- потерях мощности при ее передаче от линии электропередачи 110 кВ до зажимов тягового двигателя.
Тем не менее, скольжение без потерь невозможно и в «TransRapid», так как необходимо преодолевать
электромагнитное сопротивление. Снабжение электроэнергией в данном случае осуществляется от высоковольтной сети - кабелем на путевое полотно. Ток запитывается раздельно с обеих сторон в путевую структуру. В зависимости от интервала следования поездов могут быть выбраны разные расстояния между располагаемыми вдоль трассы подстанциями, но не более 50 км. В тяговых подстанциях размещено оборудование, обеспечивающее питание тягового привода, общее электроснабжение и децентрализованное управление движением (рис. 6).
Рис. 6. Схема энергоснабжения участка «TransRapid» Fig. 6. «TransRapid» section energy supply scheme
Для экономии энергии статор разделен на участки, снабжение током которых осуществляется по мере вхождения в них вагона (как правило, кабельная проводка разделена на участки 0,5-3 км). Электроэнергия подается только на те секции, которые в данный момент имеют отношение к транспортному средству. Иными словами, энергию получает только тот участок, где находится вагон.
Расположенные вдоль трассы пункты переключения предназначены для того, чтобы с помощью вакуумных выключателей подсоединять статорную обмотку участка, к которому приближается поезд, к кабелям питания, идущим от линейного распределительного устройства.
При выпадении питающей сети отключается только тяга. Системы подвеса и направления переключаются на питание от бортовых аккумуляторных батарей. В результате поезд продолжит движение на выбеге, оставаясь на магнитном подвесе. Если следующая станция окажется слишком далеко, поезд может остановиться на ближайшем пункте служебной остановки. Такие пункты с определенными интервалами расположены по всей трассе. Торможение при этом выполняется с помощью вихретокового тормоза, питаемого от аккумуляторных батарей. Когда скорость поезда снижается до 10 км/ч, он касается салазками (в новейшем вагоне «ТгашКар1&»-09 -колесами) путевой структуры и останавливается.
Для «ТгашЯар!^ характерно пониженное потребление энергии, что обусловлено применением современной силовой электроники, отсутствием процессов электромеханического преобразования энергии для создания тяги с использованием сил трения, высоким КПД линейного двигателя, а также низкой удельной массой поезда и пониженным сопротивлением движению (в расчете на пассажиро-место).
Подвижной состав
Вагоны имеют название ТЯ (сокращенное от «ТгашВдр!^). Вагонная секция «ТгашЯар!^ состоит из кузова и магнитной ходовой части, которая служит для передачи сил тяги, торможения, подвеса и направления. Для обеспечения необходимого уровня комфорта кузов вагона сочленяется с магнитной ходовой частью (напомним, представляющей собой модули, каждый из которых состоит из одного магнита подвеса и магнита направления) через маятниковую подвеску и пневморессоры регулируемой высоты. Все подвижные механические элементы между ходовой частью и кузовом имеют виброгася-щие резинометаллические опоры.
Одно из основных требований к конструкции вагона - строгая аэродинамика, направленная на уменьшение возникающего при высоких скоростях аэродинамического сопротивления. Кроме того, с целью снижения массы состава корпуса вагонов выполняют из алюминиевых многослойных листов.
Как уже отмечалось, электронный (цифровой) преобразователь напряжения регулирует тягу для получения требуемой скорости. Торможение осуществляется ее изменением. Бесконтактным служебным тормозом является сам синхронный линейный двигатель, а для экстренного торможения служит тормоз, работающий на вихревых токах. Оборудованы вагоны и запасным механическим тормозом.
Несмотря на то, что невозможность как такового схода вагона обеспечена конструктивно, большого внимания требует сохранение устойчивости вагона при выходе подвеса из строя. В вагонах более ранних конструкций для этого использовались эластичные ползуны - при выключении электромагнитов вагон опускался ими на колею.
Каким образом обеспечивается электроснабжение поездной сети, питающей подвешивающие, направляющие и тормозные магниты, приборы управления, освещения? При движении вагона в линейном генераторе бесконтактным способом индуктируется электроэнергия, предназначенная для управляющих систем вагона и нужд салона.
Отмечаем, что на вагонах более ранних конструкций, при небольших (менее 85 км/ч) скоростях индуктированного тока не хватало и вводились в действие батареи, находящиеся внутри состава. Во время стоянки вагона на станции их подзарядка осуществлялась путем автоматического переключения на сеть 380 В.
Поездная радиосвязь
Разработанная подразделением «Transportations Systems Rail Automation» компании «Siemens» система радиосвязи обеспечивает автоматическое управление работой «TransRapid» и объединяет в единое целое подсистемы тягового привода, поезда и стрелочных переводов, выполняя задачи, связанные с безопасностью движения, в числе которых контроль допустимой скорости, управление торможением перед остановочными пунктами и включение, в случае опасности, экстренного торможения.
Система радиосвязи работает в диапазоне миллиметровых волн на частоте 38 ГГц. Для всех поездов по всей протяженности маршрута выделяются необходимые для обмена информацией с напольными устройствами, закрепленными за каждым участком пути, каналы связи, и каждому блок-участку соответствует свой участок системы радиосвязи. Тем самым при переходе из одного участка радиосвязи в другой и при смене зон действия базовых радиостанций потери данных исключены. Система радиосвязи предусматривает также наличие нескольких трактов приема для компенсации нарушений связи вследствие отражений сигнала и наличия других препятствий.
Передача данных о движении поездов поддерживается постоянно и собирается с помощью радиомачт. С этой целью антенны подвижного состава одновременно находятся в зоне прямой видимости 2 радиомачт, установленных на расстоянии нескольких километров пути. При проезде мачты базовой станции происходит смена приемных каналов. Поезда «TransRapid» могут находиться в 1 из 3 эксплуатационных состояний: «движение» (наивысший приоритет в передаче данных), «остановка» и «нахождение в отстое».
В напольном оборудовании принцип приема сигналов каналов в обеих концевых секциях поезда реализован за счет того, что сигнал каждого канала может приниматься двумя соседними базовыми станциями.
К бортовым устройствам относятся: бортовая радиостанция и бортовой компьютер радиосвязи. Размещенные в концевых секциях поезда бортовые радиостанции обеспечивают обмен информацией с базовой станцией. Антенны установлены на крыше
под защитным кожухом. Бортовые и стационарные передатчики используют разные частоты. На поезде используются четыре приемопередатчика - по два на каждой концевой секции.
В базовой конфигурации система рассчитана на обеспечение связью обоих видов (речь и данные) до 15 поездов.
Отметим, что уже при испытаниях «TransRapid» в 1980-е годы передача данных и обмен информацией между центральным диспетчерским постом и составом обеспечивались радиорелейной связью в ГГц-диапазоне, а не щелевым проводом.
Безопасность
Поезд «TransRapid» не может «сойти с рельсов», так как он охватывает путевую структуру. Кроме того, его трасса не пересекается в одном уровне ни с какими другими линиями. В свою очередь, наезд на идущий впереди поезд или лобовое столкновение исключаются, так как питание подается лишь на тот участок, где находится поезд. К тому же поезд и магнитное поле обмотки тягового привода движутся синхронно, т.е. с одной скоростью и в одном направлении. Это значит, что по однопутной линии два поезда не могут двигаться встречно, а при попутном следовании один поезд не может догнать другой. На борту магнитоподвесных транспортных средств нет топлива или горючих охлаждающих жидкостей.
Однако следует отметить, что при сходе с рельсов в результате столкновения с препятствием железнодорожного подвижного состава вагоны поезда гасят энергию, двигаясь по грунту возле пути. Если же поезд «TransRapid» сталкивается с препятствием, он не сходит с несущей балки. В этом случае неизбежен жесткий удар, как утверждают отдельные специалисты, с гораздо более тяжелыми последствиями.
В то же время воздействие магнитного поля на пассажиров поезда «TransRapid» и окружающую среду незначительно. Его величина сравнима с естественным магнитным полем Земли и существенно ниже уровня магнитных полей, излучаемых бытовыми электроприборами.
Испытания показали, что благодаря увеличенному по сравнению с традиционными высокоскоростными железнодорожными линиями расстоянию между осями путей при встрече поездов сколько-нибудь ощутимых отрицательных воздействий на оборудование или на людей практически не наблюдалось.
Электродинамический подвес
Если в Германии изучение магнитного подвеса развивалось в направлении создания электромагнитных систем (ЭМС), в которых левитацию обеспечивает уравновешивающее массу притяжение магнитов, то в Японии разработана электродинамическая система (ЭДС) подвеса, который обеспечивают отталкивающиеся друг от друга сверхпроводящие магниты (рис. 7). Разработанный Японией способ магнитного подвешивания называется «Maglev» (от словосочетания «Magnet Leviatation»).
Электромагнитный подвес Электродинамический подвес
(ЭМП) (ЭДП)
на основе сил притяжения на основе сил отталкивания
Рис. 7. Общий принцип электромагнитного и электродинамического подвеса
Fig. 7. Electro-magnetic and electro-dynamic suspender general principle
Общий принцип обеспечения движения
В общем виде схема японского электродинамического подвеса может быть представлена как взаимодействие смонтированного на вагоне магнита с катушками, размещенными на пути и питаемыми постоянным током, периодическое включение и выключение которого (пульсирующий режим) создает бегущее магнитное поле. Взаимодействие полей стационарных (путевых) и мощных поездных электромагнитов создает силы тяги, торможения и подъема, обеспечивая подвес вагона на необходимой высоте, его устойчивость в вертикальной и боковой плоскостях, движение.
Однако в этом случае состав не способен неподвижно зависать над путевым полотном - до отрыва происходит разгон с использованием колес.
«Maglev» основан на следующем объединенном основном принципе: электромагнитное взаимодействие между создающими сильное магнитное поле обмотками расположенных под вагонами (бортовых) сверхпроводящих электромагнитов и стационарными (путевыми) катушками индуктивности вырабатывает отталкивающие силы подвеса и тяги, которые вызывают планирование транспортного средства. Однако достижение устойчивости, их стойкости против прерываний поля, т.е. постоянства отрыва является исключительно трудоемкой задачей, а вызванный электромагнитными возмущениями сильный теплонагрев сверхпроводящих магнитов состава требует их глубокого охлаждения. Это обеспечивает вырабатываемый бортовой криогенной системой жидкий гелий, охлаждаемый до температуры -269° С.
Таким образом, электродинамический подвес включает (рис. 8): направляющую путевую конструкцию с силовыми индукционными электромагнитами в боковых стенках и специализированный подвижной состав со смонтированными под днищем вагона 4-полюсными электромагнитами.
Перемещение неизменяемого магнитного поля относительно проводящей шины вызывает в ней индукцию токов. Путь индуцированных токов стано-
вится эквивалентен реальному электромагниту той же полярности в схеме, что и в действительности, представляя собой своего рода зеркальное отображение. Имеющий место эффект отталкивания, который можно рассматривать как результат взаимодействия реального и мнимого электромагнитов, становится средством опоры подвижного состава.
Рис. 8. Схема электродинамического подвеса «Maglev» Fig. 8. «Maglev» electro-dynamic suspender scheme
Вот почему индукционные катушки вагона «Maglev» размещены вертикально - справа и слева относительно направления движения и, соединяясь по 8 в асимметричную фигуру, обеспечивают получение оппозитной ориентации по отношению к магнитным полям, создаваемым путевыми индукционными катушками.
Магнитные части конструкции
Сверхпроводящие винтовые магниты направляющей путевой конструкции взаимодействуют с аналогичными магнитными контурами вагона, обеспечивая вывешивание (первоначально) и передвижение состава «Maglev». Во время же движения состава в непрерывной путевой алюминиевой реактивной шине (пути) возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное противополе и необходимую левитацию.
С целью достижения сверхпроводимости магниты подвижного состава помещают в жидкое гелиевое пространство - охлаждающую электромагниты криостатную среду с чрезвычайно низкой (-269° С), как уже отмечалось, температурой. Для уменьшения тепловой нагрузки из-за вибрации криостата сверхпроводящие магниты имеют высокую жесткость.
Удержание вагона над путевым полотном
В электродинамической системе возможно устройство воздушного зазора значительно большего размера, чем при электромагнитном подвесе.
Так, на опытном участке в Японии воздушный зазор между боковыми стенками и вагоном первоначально равнялся 110 мм с допустимыми колебаниями 10 мм в зависимости от скорости и возбуждения обмоток. Впоследствии, учитывая высокую эксплуатационную скорость (~500 км/ч), была установлена точность порядка 6 мм для компонента длины волны не более чем 150 м, что эквивалентно колебаниям
1 Гц. Мало того, принимая во внимание ошибку измерения и строительства, ожидаемая точность вообще устанавливалась в пределах 3 мм. Устойчивость обеспечивает силовой высоковольтный преобразователь со стабилизатором колебаний.
В системах магнитного подвеса, наряду с устойчивостью, особое внимание уделяется процессу перехода подвижного состава из режима движения с опира-нием на колеса в режим магнитного подвеса и наоборот, в частности - выбору оптимальной скорости, при которой этот процесс происходит (для «Maglev» -около 150 км/ч) без резких толчков и просадок.
Устройство пути
Первоначально левитационные обмотки в электродинамической системе закладывались в грунт на том же уровне, что и направляющий путь. На испытательном полигоне в Японии левитационные катушки в настоящее время располагаются на вертикальных боковых стенках - по обеим сторонам направляющего пути (рис. 8) - создавая так называемую «боковую систему левитации». Таким образом, состав «Maglev» движется в прямоугольном канале и-образной формы в сечении, образованном 2 боковыми стенками, на которых укреплены сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием.
Если левитационные обмотки, с помощью которых направляется и поддерживается электродинамический поезд «Maglev», выставляются в беспорядке по отношению к вертикали и горизонтали (продольному уровню и плану), то сила подвеса и направление пути будут изменяться и вагоны станет раскачивать. Отметим также, что потребное число ампер-витков, необходимое для опоры на приемлемую высоту, очень велико, а способом уменьшения их числа является увеличение полюсного шага.
Энергоснабжение
Электродинамический подвес вызывает магнитное поле в силу взаимодействия сверхпроводящих магнитов подвижного состава с питаемыми от инвертора наземными катушками. При этом электрический ток на пути своего протекания практически не встречает сопротивления. Сверхпроводимые электромагниты (длиной 915 мм и шириной 406 мм) питаются током 300-600 кА.
Станции преобразования энергии оснащены 2 крупноразмерными инверторами, каждый из которых предназначен для непрерывной регулировки по частоте и току.
Существенной является необходимость обеспечения плавного перехода поездом границы между смежными зонами питания двух тяговых подстанций. Дело в том, что в «Maglev» применен метод управления движением подвижного состава с использованием развернутого статора, обмотки которого интегрированы в путевую структуру. Скорость в данном случае регулируется путем изменения частоты тока, подаваемого в обмотки, в связи с чем питание обеих зон в месте перехода должно быть строго сфазировано и синхронизировано по частоте.
102
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Ш
Обеспечение энергией систем освещения и кондиционирования воздуха в поезде во время движения в режиме магнитного подвеса также осуществляется бесконтактно. Токосъем в данном случае осуществляется за счет взаимоиндукции между сверхпроводящими магнитами на борту поезда и путевыми электромагнитами.
Подвижной состав
Кузов вагона «М^1еу» выполняется низкопрофильным с целью уменьшения сопротивления воздуха. Кроме того, индуцированные токи электродинамического подвеса вызывают силу противодействия движению, которая, однако, достигает своего наибольшего значения при скорости ~160 км/ч и падает по мере ее дальнейшего увеличения. Также с целью улучшения аэродинамических свойств кузов вагона выполнен из ячеистых алюминиевых сплавов, а передняя часть - из стекловолокна и пластмассы.
В отличие от вагонов, испытывавшихся в 1980-е годы, в настоящее время сверхпроводящие обмотки подвижного состава располагаются на левитацион-ных тележках, а не в подвагонном пространстве. На них расположено 6 сверхпроводящих обмоток (по 3 в ряд). Наряду с этим положительно рассмотрена возможность использования сочлененных тележек, общая часть которых служит подсоединением 2 кузовов вагонов.
Отличительной особенностью электродинамического подвеса является создание левитации с некоторого значения скорости, так что вагоны оборудуются колесами для пускового режима. Так, магнитный подвес отсутствует в момент начала движения, и при низких скоростях (в период ее набора и замедления) и до достижения отрыва (подвеса) разгон состава «Mag1ev» обеспечивают как раз авиапневматические колеса.
Поездная радиосвязь
Необходимость синхронизации создаваемого наземными катушками магнитного поля с движущимся в электродинамической системе вагоном требует крайне высокой точности определения его положения. Этому служит перекрестно-индуктивный кабель на путевом полотне, с помощью которого ток подается по фазе, совпадающей с положением вагона в каждый момент движения. Использование припуте-вого соосного кабеля и волоконно-оптической связи делают возможным управление всем объемом информации команд и данных.
В свою очередь местоположение подвижного состава определяется совпадением регистрируемых местных отметок с цифровым кодом пути. Базовая станция включает в себя управляющее устройство, которое распознает адресацию и в зависимости от нее либо пропускает поток данных дальше, либо забирает его из кольцевой линии волоконно-оптической связи и направляет в приемопередатчик.
Наряду с волоконно-оптическими и медными кабелями, соединяющими стационарные устройства, в передаче данных участвует система радиосвязи,
обеспечивающая обмен информацией между бортовыми компьютерами и датчиками, с одной стороны, и стационарными устройствами - с другой.
Так, система радиосвязи передает данные о величине угла выбега ротора и местоположении поезда в стационарные устройства управления линейным тяговым приводом. Передача этих данных предъявляет высокие требования к работе системы радиосвязи в реальном масштабе времени с задействованием четырех бортовых электронных модулей определения местоположения для передачи в стационарные устройства привода (с ограничением времени задержки). Вот почему система радиосвязи построена по двухканаль-ному принципу, по каждому из которых каждая базовая станция способна принимать сигналы с гарантированно неискаженным пакетом информации.
Контур Лейсвейта («потенциальная магнитная яма»)
Радиальные силы обычных роторных машин и вертикально направленные силы линейных электродвигателей, как правило, достигающие значительных величин (до 20 раз превышающих тангенциальные силы), рассматриваются как паразитные. В линейных асинхронных двигателях указанные силы, как правило, являются отталкивающими - в условиях низких скоростей и обеспечивающими тягу - при более высоких скоростях движения.
Создание линейного электродвигателя, способного реализовать отталкивающие силы во всем диапазоне скольжения, даст возможность использовать указанные паразитные силы для замещения сил магнитного подвеса и направления движения, обеспечивающих работоспособность электромагнитных и электродинамических систем. Более того, применение подобного двигателя для целей тяги позволит реализовать указанные вторичные функции без существенных дополнительных энергозатрат.
В этом случае в основу действия линейного тягового двигателя будут положены обратимые характеристики нулевого потока и магнитной силы, эффективно обеспечивающие трансформацию энергии между потенциальной магнетикой сверхпроводящего контура и кинетическим потенциалом вагона.
В указанном случае сила магнитного притяжения, вызванная энергией магнитного взаимодействия, проходит через нуль и превращается в силу отталкивания до того момента, как станет равным нулю разделяющее магниты расстояние.
Способ магнитного подвеса, в зарубежных странах известный как «магнитная река Лейсвейта», в Советском Союзе получил название «потенциальной магнитной ямы» или «магнитной реки» (рис. 9). Строго говоря, отличался контур Лейсвейта от советского предложения применением переменного, а не постоянного тока.
Возникновение «потенциальной магнитной ямы», сама возможность существования этого явления связана с наличием магнита с замкнутым контуром и
3
Ж
•и: -
103
нулевым сопротивлением постоянного тока, сочетающегося с другим магнитом постоянного тока.
Во избежание противоречия принципу Ирншоу и теории Браунбека система «магнитная река» диамагнитного материала не содержит. Здесь применяются либо сверхпроводящие электромагнитные контуры постоянного тока очень малого поперечного сечения с нулевым электрическим сопротивлением (2 идеальных электропроводных контура), либо один такой же спаренный или с электромагнитом постоянного тока сверхпроводящий контур.
Рис. 9. Укрупненная схема «Maglev», «TransRapid», «Магнитная река» Fig. 9. «Maglev», «TransRapid», «Magnet River» zoomed scheme
В поле силы тяжести вагон «магнитной реки» при нулевой скорости имеет постоянное (до полуметра) расстояние подвеса над или под ходовой частью - с контролем вертикального шага и боко-
вых влиянии, вызванных наличием возникающего бокового нулевого потока.
Одним из направлении исследовании данного способа магнитного подвеса являлась его устойчивость при нулевом положении - посредством моделирования неподвижного пути, состоящего из 2-проводной линии бесконечной длины и смонтированного на крыше вагона прямоугольного сверхпроводящего контура. При этом расчеты велись как при нулевом равновесии, так и в его отсутствие.
Практическое применение технологии магнитного подвеса
Промышленно развитые страны
Последние 20-25 лет являются временем массового восстановления эксплуатации городского рельсового электротранспорта (5 городов в 2007 г.) и качественного переоснащения железнодорожного транспорта (в первую очередь связанного с организацией скоростного движения). Одновременно это годы проведения всесторонних испытаний, совершенствования принципиально нового вида транспорта - на магнитной подушке. При этом так называемый «вид транспорта будущего» на уровне проектных проработок в целом ряде случаев оказался конкурентом железнодорожному транспорту - «колесно-рельсовой» системе.
Так, указывалось на возможность применения магнитного подвеса между Аяксом и Марселем, Сиднеем и Канберрой, Лас-Вегасом и Лос-Анджелесом, Сеулом и Пусаном, Шанхаем и Нанки-ном, Рио-де-Жанейро и Сан-Паулу, Джиддой и Меккой, на трансъевропейской магистрали Париж-Брюссель-Амстердам-Кельн, в базовом тоннеле через перевал «Бреннер».
Мы видим, что с течением лет эти планы не получили воплощения и реализованы (реализуются) в виде скоростных железнодорожных сообщений либо традиционных железных дорог.
В самой Германии магнитопоезда вызывают острые дискуссии. Несмотря на то, что о сооружении магнитоподвесной трассы (292 км) между Гамбургом и Берлином министры транспорта 4 земель ФРГ договорились еще в середине 1990-х годов, пассажиров она так и не приняла. Предлагались и другие междугородные маршруты - Берлин-Дрезден или Гамбург-Ганновер. Не была начата регулярная эксплуатация транспортных средств на магнитной подушке и на короткие расстояние - к примеру, между а/п Кельна и Дюссельдорфа (с возможным продлением до Эссена).
Немецкие железные дороги (DB) не финансировали «TransRapid», вкладывая миллиарды марок в междугородные колесно-рельсовые экспрессы ICE, а возможности частных акционеров группы «Thissen-Krupp» («Henschel», MBB, «Krauss-Maffei») по развитию «TransRapid» все же ограничены.
Остановимся на отдельных преимуществах и недостатках магнитоподвесных дорог.
Как известно, преимущество колесно-рельсового транспорта заключается в возможности перевозить тяжелые грузы с малым расходом энергии благодаря малому сопротивлению качения, а недостатки связаны с ограниченным значением (фрикционным) сцепления колеса с рельсом, их быстрый износ и создаваемый шум.
Что касается транспорта на магнитной подушке, то его эксплуатационные затраты ниже из-за использования не требующих смазки движущихся частей, отсутствия физического соприкосновения с колеей (износа трущихся поверхностей), снижения необходимости регулярного технического обслуживания узлов и механизмов (электромагниты не требуют ухода).
Таким образом, «TransRapid» характеризуется пониженным шумоизлучением, относительно низким энергопотреблением и требует меньших эксплуатационных затрат, чем любая из существующих направляемых транспортных систем.
В то же время для системы «TransRapid» потребность в железе, складывающаяся из шихтованных сердечников развернутого статора в линейном двигателе и материала направляющей шины, выше, чем для системы «колесо - рельс». Меди, используемой в системе «TransRapid» в качестве материала обмоток развернутого статора и подводящих кабелей, также требуется намного больше, чем в современной высокоскоростной системе «колесо - рельс». Кроме того, затраты на преобразователь для «TransRapid», в связи с предъявляемыми особыми требованиями, также отличаются от затрат в системе «колесо - рельс», где преобразователь используется для питания асинхронных трехфазных тяговых двигателей. При этом различие обусловлено не столько использованием линейного тягового двигателя, сколько выбором его модификации с развернутым статором. Дополнительно при повышении мощности преобразователя возрастает расход кремния высокой чистоты.
Состав движется бесконтактно, т.е. без дополнительных аэродинамических сопротивлений в тележках и токоприемниках, в связи с чем при одинаковой скорости в сравнении с обычной и скоростной железной дорогой (поезда AVE, ICE, «Pendolino», «Shinkansen», TGV) расходуется меньше электроэнергии. Однако использование линий «TransRapid» для грузовых перевозок в настоящее время не рассматривается как раз из-за повышенных затрат энергии.
Также говорится о том, что в случае отказов подвижного состава и неисправности устройств железнодорожного транспорта его разветвленная сеть дает возможность обхода блокированных участков. Для системы на магнитном подвесе эта возможность в ближайшие 20-30 лет исключается ввиду отсутствия разветвленной сети.
Зато у систем на магнитном подвесе отсутствует шумный пантограф скоростных поездов и единственный создаваемый их составами шум - от воздушного потока. Не создается и шум качения. Исключе-
но опасное обледенение контактного провода - он отсутствует. Дополнительные удобства для пассажиров связаны с отсутствием вибраций в поездке.
Дополнительная независимость систем электромагнитного подвеса от атмосферных воздействий связана с тем, что в приводных частях линейного двигателя не скапливается снег и не образуется лед -их защищает расположение под путевой структурой, а на самом пути снег сметается в результате регулярного движения подвижного состава или сдувается ветром.
Несмотря на то, что скоростные железнодорожные линии, особенно при 2-этажном конструктивном исполнении (французские поезда TGV-Duplex), отличает большая провозная способность, система на магнитном подвесе на единицу перевозочной работы (1 пасс.-км), по расчетам, потребляет вчетверо меньше энергии, чем самолет, вдвое меньше, чем легковой автомобиль и примерно на треть меньше, чем TGV первых конструкций. Вместе с тем, благодаря малому времени оборота поездов «TransRapid», магнитоподвесная система может справиться с определенным пассажиропотоком, используя меньше поездов, чем система «колесо - рельс».
«TransRapid» (Германия)
Опытный участок «TransRapid» в г. Эмсланде, по нижнему течению р. Эмзе, запроектировали в 1978 г. Строительство испытательной трассы началось в 1980 г., а опытные испытания - в 1983 г. Проектная протяженность 31,5 км была достигнута к 1988 г.
По всей длине участок проходит над землей и заканчивается по обоим концам петлями (радиусом 1690 и 1000 м) со специально сконструированными стрелочными переводами. Балки высотой 4,7 м уложены на железобетонные мостовые опоры. Расстояние между типовыми опорами 25-37 м.
До завершения начатой в марте 2001 г. постройки магнитоподвесной линии длиной 31,5 км, связавшей международный а/п «Пудон» с одной из станций метрополитена г. Шанхая (рис. 10), испытательный участок в Эмсланде оставался единственным, где обкатывались транспортные средства на магнитной подушке типа «TransRapid».
Рис. 10. Поезд на магнитном подвесе. Шанхай Fig. 10. Magnetic suspender train. Shanghai
Сюда же на 19.04.2007 г. была запланирована передача новейшего изготовленного состава «Trans-Rapid»-09. Он был представлен 23.03.2007 г. на расположенной в г. Касселе производственной площадке разработчиком магнитоподвесной системы «TransRapid» - «Тиссен-Крупп».
Напомним, что предыдущий состав был разрушен в ходе повлекшего 22.09.2006 г. самые тяжелые последствия столкновения с «техничкой», сопровождавшегося гибелью 9 находившихся в «TransRapid»-
08 специалистов.
Состав предназначен для обращения на короткие расстояния - в частности, на проектируемом участке между центром Мюнхена и аэропортом. По магни-топодвесному участку поезд «TransRapid» сможет преодолеть разделяющее аэропорт им. Франца-Йозефа Штраусса и Мюнхенский железнодорожный вокзал расстояние, равное 37 км, всего за 10 мин.
Учитывая задействование для пригородно-город-ского сообщения, расширены пассажирские двери вагона, между ними уменьшено расстояние, а сиденья размещены по схеме «2+2» для увеличения числа стоящих пассажиров. Планируется задействовать 5 составов. Участок будет отличать смешанная трассировка - эстакадная, с 3 тоннелями.
Важно отметить, что, в отличие от ранее испыты-вавшихся транспортных средств, состав «TransRapid»-
09 будет перемещаться магнитодвижущей силой (т.е. бесконтактно) на всех режимах движения, включая скорости менее 70 км/ч. Tем самым исключается необходимость использования колес (салазок), а также вблизи станций токопитающего рельса и контактного устройства типа «башмак» для вагонов.
Стоимость строительства участка в Мюнхене оценивается в 1,85 млрд евро. К финансированию работ планируется привлечь правительство ФРГ, Баварии, Немецкие железные дороги, рассматриваемый аэропорт, а также средства ЕС. Вместе с тем и в этом случае непокрытый убыток по состоянию на минувший год оценивался в 350 млн евро. Одновременно разработчики «TransRapid» - «^иссен-Крупт» («Мессершмитт-Бельков-Бломм»-«Хейнкель»), вложившие ранее средства в проект трассы Гамбург-Берлин, от строительства которого впоследствии отказались, в этот раз в финансовых вопросах проявляют осторожность.
Правительство Баварии рассчитывало заключить итоговые договоренности, связанные с финансовой стороной строительства, до середины 2007 г. В таком случае связанные с реализацией проекта подготовительные работы планировалось завершить до конца 2007 года.
Отмечаем, что вопрос строительства магнитопод-весной трассы сообщением «Мюнхен - аэропорт» обсуждался в немецком Бундестаге 24.10.2006. Среди прочего сторонники проекта обратили внимание депутатов на высокую плотность автотранспортных потоков, следующих в указанном направлении.
Между тем планы по продлению открытой 31.12.2003 г. единственной действующей на сегодняшний день магнитоподвесной ветки «TransRapid», связывающей международный аэропорт Шанхая со станцией метрополитена, могут быть пересмотрены в связи с недовольством местных жителей и высокой стоимостью строительства (превышение начальной сметы может достичь 150%). Отмечается, что последнее во многом связано с возведением шумозащитных полос и ограждений в жилых районах, примыкающих к проектируемой трассе. Кроме того, по сообщениям газеты «China Daily», их жители, утверждающие, что работа нового вида транспорта сопровождается повышенной радиацией и шумом, собрались перед зданием горсовета. Итогом выступлений стало решение городских властей о проведении дополнительного изучения вопросов, волнующих граждан, и общественном обсуждении любых решений, связанных с продлением «TransRapid».
«Maglev» (Япония)
В Японии работы по магнитному подвесу также были начаты в 1960-е годы. Первый полигон для испытаний транспортной системы на магнитном подвесе с экспериментальным путем длиной 7 км был построен в 1977 г. вблизи города Хюга в префектуре Миядзаки. В течение 20 лет на нем испытывалось четыре поколения опытных образцов экипажей на магнитном подвесе. Именно здесь в 1979 г. вагоном MLU-500 была развита рекордная для того времени скорость - 517 км/ч.
Однако малая длина, отсутствие крутых уклонов и тоннелей не позволяли имитировать в ходе испытаний все разнообразие условий повседневной эксплуатации. Вот почему в 1989 г. министерство транспорта страны приняло решение создать новый полигон, где можно было бы проводить полномасштабные испытания. Кроме того, в 1987 г. произошло разгосударствление железных дорог страны.
В 1990 г. три заинтересованные стороны: Научно-исследовательский институт железнодорожной техники, Японская государственная компания железнодорожного строительства и железнодорожная компания «Центральная» приступили к строительству испытательного полигона длиной 42,8 км в районе городов Оцуки и Цуру в провинции Яманаси (к западу от Tокио). Первый участок (18,4 км) был построен к марту 1997 г. ^гда же проведение испытаний на полигоне Миядзаки было завершено.
Указанный участок трассы представляет собой 18,4 км двустороннего пути радиусом кривой в плане 8 тыс. м с 3 стрелочными переводами. 90% пути проходит в тоннеле. Расстояние между путями - 5,8 м.
В полосе отвода построены центр управления, преобразовательная подстанция, ряд других объектов. В дополнение к необходимым средствам предупредительного ремонта в депо имеется установка по сжижению гелия, устройства первоначального охлаждения сверхпроводящих магнитов.
В испытательном центре Яманаси в 2006 г. поезд «М^1еу» устанавливает мировой рекорд скорости -581 км/ч.
Сегодня проводится полный комплекс испытаний поддерживающей ходовой части (колес) и системы магнитного подъема 3-секционных составов над путевой структурой (рис. 11).
Рис. 11. Комплексные испытания 3-секционных составов Fig. 11. Complex testing of three-sections trains
Сообщалось, в частности, о том, что при испытаниях тормозной системы во время резкого торможения с переходом из режима магнитного подвеса в режим опирания на колеса (дисковое торможение в системе «Maglev» рассматривается как вспомогательное и аварийное) в дисках возникали резонансные явления, в результате которых отдельные из них разрушались. Проблему удалось решить путем подбора оптимального материала для их изготовления.
Отмечалось также, что при входе поезда «Maglev» в тоннель с высокой скоростью наблюдалось дребезжание стекол в окнах домов, расположенных неподалеку. Это объясняется возникновением имеющих крутой фронт волн давления воздуха, выходящего из тоннеля наружу по горизонтальным каналам, в которых проложены кабели системы электроснабжения. После того как каналы были прикрыты экранами, указанные нежелательные явления прекратились.
Кроме того, учитывая, что при проведении в начале октября 1991 г. испытаний новых тележек одно из колес магнитоподвесного вагона «Maglev» забло-кировалось, а произошедшие возгорание и пожар уничтожили транспортное средство, важной задачей конструкторов и испытателей является исключение подобных ситуаций.
Считается, что криогенные синхронные линейные двигатели, развиваемые в магнитную систему отталкивания «Maglev», не могут быть практичными в условиях движения с низкими скоростями (город). Вот почему областью приложения японского способа магнитного подвеса считается междугородное сообщение. Сообщения о проектировавшейся трассе сообщением Токио-Осака (550 км), которой было дано название «Chuo-Shinkansen», и испытаниях «Maglev» в Яманаси шли рука об руку.
По сообщениям январского выпуска «Международного железнодорожного журнала» («International
Railway Journal»), японская железнодорожная компания «Центральная» планирует начать строительство магнитоподвесной дороги между Токио и Нагоей (четвертым по величине городом страны восходящего солнца) в ноябре 2010 года. Стоимость строительства трассы длиной 290 км оценивается в 45 млрд у.е., открытие движения запланировано на 2025 год. Поскольку правительство Японии не планирует финансировать работы, будут использованы различные механизмы финансового обеспечения строительства. Обращает внимание, что после объявления об этом размещенные на Токийской бирже ценные бумаги данной железнодорожной компании за очень короткое время упали в цене, по разным оценкам, от 9 до 15%. В течение 8 лет после начала эксплуатации планируется вернуть заемные средства на строительство дороги. Вновь сообщалось, что существующая скоростная железнодорожная трасса «Синкансен» сообщением Токио-Нагоя работает на верхних значениях своей пропускной способности.
Вместе с тем ветки с электродинамическим подвесом проектировались для связи г. Саппоро с аэропортом «Титосе» (45 км), а также аэропорта «Нари-та» с пригородом Токио. Более того, при проведении в 2005 г. международной выставки транспортное сообщение упоминавшегося г. Нагоя с аэропортом обеспечивала как раз магнитоподвесная ветка типа «Maglev» длиной всего 8,9 км (с 9 промежуточными станциями). 3-вагонные поезда с алюминиевыми кузовами длиной 43,3 м вместимостью до 244 пассажиров (из них 104 - сидящих) обращались по линии с 5.00 до 23.00 с интервалом 6-10 мин. в полностью автоматизированном режиме.
«Магнитная река»
Одноименный метод магнитного притяжения во второй половине 1970-х годов исследовался в научном учреждении г. Торонто - на предмет возможности применения линейной тяги для перевозок пассажиров. Тогда отмечались многообещающие возможности, простота, экономичность и универсальность схемы «Отталкивающая магнитная река».
Канадскими специалистами опыты проводились с использованием вращающегося барабана диаметром 7,6 м, обеспечивающего скорость 80 км/ч. Двигатель имел длину 1,73 м и был снабжен 6 полюсами с делением 0,25 м. Проведенная серия испытаний подтвердила возможность использования системы магнитного подвеса и линейной тяги для перемещения транспортных средств по путевому направляющему устройству определенной конструкции.
Добавим, что в этом канадском городе линейная тяга во внутригородском сообщении успешно применяется с 1991 г. Ветка метрополитена здесь построена по образцу ранее (1986 г.) возведенной в столице пров. Британская Колумбия г. Ванкувере линии «Sky-Train» («Expo»), являющейся на сегодняшний день наиболее протяженной автоматизированной линией метрополитена в мире. К открытию «белой» олимпиа-
ды 2010 г. жителей и гостей города примет 3-я линия метрополитена («Канада»), обслуживаемая подвижным составом с линейным двигателем (открытая в 2000 г. линия 2 называется «Миллениум»).
СНГ
В середине 1970-х годов - почти одновременно с Германией и Японией - в Советском Союзе начались плановые работы в области магнитного подвеса и линейной тяги. Исследования проводились в Армении, Казахстане (Алма-Ата), Российской Федерации, на Украине.
В 1976 г. сотрудником Академии наук Украинской ССР В.В. Козоризом был представлен доклад под названием «О потенциальной яме магнитного взаимодействия идеальных токовых контуров». Описанный в нем сверхпроводящий контур постоянного тока потенциальной магнитной ямы можно рассматривать как развитие контура переменного тока Лейс-вейта, известного под названием «магнитная река».
Возможность постройки участка опытной наземной линии с подобным способом магнитного подвеса рассматривалась для организации транспортной связи г. Киева с аэропортом «Борисполь» (20 км).
Кроме исключительной трудности задачи, увеличенной нечеткостью выбранного способа магнитного подвешивания (электродинамический, электромагнитный подвес либо «потенциальная магнитная яма»), на результатах работ сказались недостаточное финансирование и организационные ошибки. Так, до 1985 г. на разработки по этой теме был затрачен 81 млн руб., в 1986-90 гг. - 53 млн руб. Для сравнения: по «Программе технического перевооружения и модернизации железных дорог на 1991-2000 годы» планировалось израсходовать 257 млрд руб.
Своеобразное отношение к вопросу проявилось не только в выделении ограниченных средств на рассматриваемую разработку, но и в отсутствии главно -го заказчика, что вело к проблематичности какой-либо перспективы внедрения транспорта на магнитном подвесе. К примеру, в 1975-1984 г. головным министерством было Минэлектротехпром, а головной организацией - новочеркасский ВЭлНИИ. С 1984 г. головное министерство - Миннефтегазстрой, а ведущая организация - ВНИИПИ «Транспрогресс» (с 1986 г. - «Гидротрубопровод»). МПС к работам привлечено не было.
Участок с магнитным подвесом и линейным двигателем, разработанный ВНИИПИ «Транспрогресс» и ПромтрансНИИпроект, действовал в г. Алма-Ате. Указывалось на его бесперспективность «применительно к задаче повышения качества и снижения стоимости обслуживания населения городов при исключительной сложности технологического исполнения».
Заключение
Транспортные средства на магнитной подушке подразделяются на электромагнитные, электродинамические и основанные на эффекте «потенциальной магнитной ямы».
Электромагнитная система основана на притягивании транспортного средства снизу к пути магнитами подвеса. Магниты направления, расположенные с обеих сторон по всей длине транспортного средства, удерживают его по бокам на колее. При пропускании тока через обмотки первичной секции (ротора), во вторичной (статоре) возбуждается индукционный ток, создающий магнитное силовое поле, которое приводит в движение состав. Таким образом, силы подъема (подвес) и тяги обеспечивает взаимодействие магнитных полей. Наибольшая проработка электромагнитных систем достигнута в Германии, где они получили название «TransRapid».
В свою очередь, электродинамические системы основаны на эффекте отталкивания сверхпроводящих магнитов вагона (поезда) и путевой структуры друг от друга. Разработки данного типа магнитного подвеса успешно проводятся в Японии, где они носят название «Maglev» и, как немецкая (в г. Шанхае, 2003 г.), доведены до уровня использования на пассажирской работе (г. Нагоя, 2005 г.). В настоящее время задача конструкторов и испытателей системы, нацеленных на организацию междугородного транспортного сообщения, связана со стабилизацией магнитодвижущей силы и поддержание сверхпроводимости «Maglev» при внешних воздействиях. Следует отметить, что американские специалисты («General Atomics»), проводящие проектно-испытательные работы в области электродинамического подвеса, вместо использования сверхпроводящих электромагнитов применили постоянные магниты, расположенные по схеме, известной как «Массив Хальбаха».
В свою очередь, «потенциальная магнитная яма», основой которой является так называемый «контур Лейсвейта», развития не получила, и ее использование для обеспечения пассажироперевозок не планируется. При этом во всех разновидностях транспортных средств на магнитной подушке используется линейный двигатель - применяемый на пассажирской работе во внутригородском сообщении с середины 1980-х годов.
Одной из причин создания нового вида транспорта является стремление к повышению скорости доставки пассажиров, вызванное необходимостью уменьшения числа поездок, совершаемых на автомобилях и, в определенной степени (в первую очередь - на короткие расстояния) на самолетах из-за неэкономичного расходования в этом случае углеводородного топлива. В техническом отношении для системы на магнитном подвесе не существует порога скорости. В отличие от привода типа «колесо - рельс» линейный позволяет (теоретически - без ограничений) повышать силу тяги и с большим ускорением разгонять транспортное
средство (поезд) до максимальной скорости. Вместе с тем дальнейшее ее повышение может потребовать сверхпропорционального расхода энергии на тягу в связи с резким возрастанием аэродинамического сопротивления движению.
Широкое применение транспортных средств на магнитной подушке пока сдерживается технической сложностью реализации принципа обеспечения движения (подвеса и удержания в парящем состоянии) и неоднозначностью заключений о величине потребления топливно-энергетических ресурсов транспортными средствами «ТгашЯар!^ и «Mag1ev». Кроме этого, окончательно не определена категория маршрутов (на сегодняшний день - пригородно-городские), на которых найдут применение магнитоподвесные транспортные системы. К числу дополнительных обстоятельств, не позволивших республикам СНГ развить технологию «магнитная подушка», следует отнести неопределенность с выбором ее типа.
Заслуживает комментария все более частый переход к одноименному с японской разработкой магнитного подвеса обозначению шанхайской трассы «TransRapid» - «Maglev». Как это объяснить? Выбранным японской стороной универсальным словосочетанием, описывающим работы в этом направлении - «Magnetic levitation» (буквально - «Магнитный подвес»).
Список литературы
1. Сводные тома реферативного журнала «Автомобильный и городской транспорт» ВИНИТИ за 1985, 1986 г.
2. Экспресс-информация ВИНИТИ «Городской транспорт»: 1988-2003 гг.
3. Железные дороги мира: 1995-2006 гг.
POWER-GEN EUROPE 2009 -МЕЖДУНАРОДНАЯ ЕВРОПЕЙСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ
POW^R f-L м Время проведения: 26.05.2009 - 28.05.2009
■' - - ■ " Место проведения: Германия, Кельн Тема: Энергетика
С 1992 г. POWER-GEN Europe превратилась в известное на весь мир мероприятие - это первая конференция и выставка по энергетике Европы, известная не только своим масштабом, но и своими участниками.
POWER-GEN Europe проводится ежегодно в Европе. В 2007 г. выставку принимала Испания, в 2008 -Италия, в 2009 - Кёльн (как и в 2012).
Организатор выставки PennWell Corporation будет проводить Power-Gen Europe в Кельне каждые три года. В 2006 г. в выставке POWER-GEN Europe в Кельне принимали участие 400 компаний из 80 стран, экспозиция заняла все 20000 кв. м павильона № 6. Выставку посетили 8300 специалистов из 90 стран мира. Выставки 2009 и 2012 гг. займут новые павильоны № 7 и 8 общей площадью 32000 кв. м.
Основные профили POWER-GEN Europe:
- термальные энергетические установки
- гидроустановки
- возобновляемая энергия
- атомная энергия
- применение отходов для выработки энергии
- передача и распределение энергии
- информационные технологии и другое
3
109
