Рекомендуем прочитать

11.04.2013|11:39

Знакомьтесь: электровоз 2ЭС5

 

                        2эс5_1

     Повышение эффективности железнодорожных грузоперевозок в настоящее время невозможно без своевременного обновления действующего парка электроподвижного состава и повышения его технического уровня. Рост мировой экономики, активизация сухопутного сообщения в транспортном коридоре Юго-Восточная Азия — Европа и реальная перспектива Транссибирской магистрали стать важным транспортным связующим звеном между странами Евроазиатских регионов делает вопрос обновления парка элек- троподвижного состава (ЭПС) для ОАО «РЖД» крайне актуальным. С учетом тяжелых эксплуатационных условий на железных дорогах сибирского и дальневосточного регионов и продолжающегося ежегодного увеличения грузопотока наиболее перспективным видом локомотивов для этих условий могут стать электровозы с асинхронным тяговым приводом.

     В мировом опыте железнодорожного машиностроения развитию электровозов с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) давно придается приоритетное значение. Благодаря малому удельному расходу активных материалов АТД, по сравнению с коллекторными двигателями, имеют лучшие массогабаритные по¬казатели, требуют меньших затрат на их обслуживание, а высокая жесткость электромеханических характеристик позволяет реализовать большие значения коэффициента сцепления. Совокупность этих факторов позволяет повысить осевую мощность электровоза, обеспечивает лучшие тяговые характеристики, дает возможность снизить затраты на обслуживание и получить ряд других важней¬ших эксплуатационных преимуществ.

     Однако электровозы с асинхронным приводом имеют первоначальную стоимость, существенно превышающую стоимость локомотивов с аналогичной осевой мощностью с коллекторными двигателями постоянного (пульсирующего) тока. Тем не менее, это обстоятельство нисколько не снижает конкурентоспособность локомотивов с асинхронным приводом и абсолютно не сдерживает их использование для обновления действующего парка, принимая во внимание стоимость жизненного цикла различных типов электровозов нового поколения и предшествующих.

     Локомотивы с АТД, по сравнению с традиционным для железных дорог России тяговым приводом с зонно-фазовым регулированием коллекторных двигателей, имеют дополнительные силовые преобразовательные устройства, которые обеспечивают получение трехфазного напряжения. Причем, количество этих устройств на тяговой единице, как правило, определяется не предельно воз-можной величиной единичной мощности этих устройств, а числом тяговых двигателей.

     Необходимым условием максимального использования сцепного веса подвижного состава является равномерное распределение нагрузок между его тяговыми двигателями. В то же время, высокая жесткость электромеханических характеристик АТД и всегда имеющаяся их неидентичность, а также появляющийся в процессе эксплуатации локомотива неравномерный износ бандажей приво¬дят к тому, что тяговые двигатели нагружаются неодинаково.

     Используемые в настоящее время современные тяговые системы устраняют возникающее различие нагрузок АТД. Такие системы основаны на применении для электропитания каждого из двигателей напряжений разных частот, требуют наличия для каждого двигателя индивидуального преобразователя частоты и числа фаз. Именно такие преобразователи (инверторы) впервые применены в России для грузовых электровозов переменного тока на локомотиве 2ЭС5.

     ЭЛЕКТРОВОЗ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ

     Магистральный грузовой двухсекционный электровоз пято¬го поколения 2ЭС5 (по согласованию с ОАО «Российские железные дороги» его назвали «Скиф») выпущен на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ, входит в состав ЗАО «Трансмашхолдинг»), Локомотив предназначен для вождения грузовых поездов на железных дорогах колеи 1520 мм, электрифици-рованных на переменном токе напряжением 25 кВ промышленной частоты 50 Гц.

     Наличие в тяговой системе электровоза 2ЭС5 индивидуальных преобразователей для питания тяговых двигателей вызывает индивидуальную реакцию каждого из двигателей на изменение внешних условий работы хотя бы одного из них. Это снижает вероятность возникновения боксования, а при его появлении обеспечивает быстрое гашение.

     Таким образом, асинхронный тяговый привод с индивидуальными инверторами напряжения и поосным регулированием позволяет улучшить тяговые характеристики, снизить энергопотребление и затраты на техническое обслуживание. Электровоз 2ЭС5 разработан совместно ЗАО «Трансмашхолдинг» и французским машиностроительным концерном «Alstom» на базе совместного инжинирингового центра «ТРТранс», расположенного в России. Центр создан на паритетных началах Трансмашхолдингом и «Alstom Transport».

     Электровоз 2ЭС5 отличается высокими технико-экономическими показателями. Параметры, указанные в техническом задании на разработку локомотива, были сформулированы заказчиком электровоза ОАО «РЖД» на основании планов Компании по реализации грузоперевозок на ближайшую перспективу с учетом тенденций ежегодного роста грузооборота. По некоторым комплектующим, например, таким как система управления электровоза 2ЭС5, в техническое задание на локомотив включены требования по его оснащению новейшими устройствами с учетом последних мировых достижений в области электроники, машиностроения и других высокотехнологических отраслей.

     В конструкцию заложены существенно увеличенные по сравнению с локомотивами предыдущих поколений межремонтные пробеги. Это позволяет значительно сократить затраты на обслуживание локомотивов и существенно повысить эффективность управления парком.

     Механическая тяговая передача первого класса подвески обеспечивает снижение динамических воздействий на путь и все узлы и детали электровоза. Противогазная защита позволяет сократить тормозной путь при неблагоприятных погодных условиях и высокой скорости движения, снижает интенсивность износа колес. Безбандажные (цельнокатаные) колеса с ресурсом не менее 1 млн. км также дают возможность увеличить пробег электровоза между крупными видами ремонтов.

     Модульная кабина управления с автоматическим климат-контролем, соответствующая всем современным нормам, включая санитарные, эргономические и нормы безопасности, позволяет обеспечить локомотивной бригаде комфортные и безопасные условия труда и сократить цикл сборки электровоза.    

     Используется новая, полностью интегрированная микропроцессорная система управления и диагностики. Основные технико-экономические параметры электровоза 2ЭС5 приведены в табл. 1.

     Новая машина значительно превосходит по тягово-энергетическим характеристикам локомотивы более раннего производства, что позволяет на ряде полигонов эксплуатации использовать электровоз 2ЭС5 (две секции) вместо трехсекционных сцепов серийных электровозов.

     Особенности конструкции электровоза:

  • в качестве тяговых используются асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором; 
  • питание АТД осуществляется от регулируемых статических преобразователей напряжения и частоты, входящих в состав тяговой системы, разработанной компанией «Alstom» (рис. 1); 
  • вспомогательный привод реализован с возможностью регулирования производительности трехфазных нагрузок благодаря использованию вспомогательного преобразователя компании «Alstom» (рис. 2);
  •  электровоз оборудован системой автоведения, управления распределенной тягой, системой управления поездом повышенного веса и длины, а также другими электронными системами, управляемыми центральной системой управления электровоза (верхнего уровня) по интерфейсу (рис. 3);
  •  применена тележка, которая имеет низкое расположение наклонной тяги, моторно-осевые подшипники качения, тормозные блоки с композиционными колодками, цельнокатаные колеса, систему смазки гребней с подачей смазки на каждое колесо, тяговый привод первого класса с односторонней передачей вращающего момента. Передача силы тяги и торможения от тележек к кузову осуществляется цельными наклонными тягами. Тяга расположена по продольной оси электровоза и устанавливается на одной концевой балке рамы тележки. Моторно-редукторный блок одной стороной опирается на колесную пару, а другой крепится на раме с помощью подвески, на концах которой имеются упругие втулки для относительного перемещения между колесной парой и рамой (рис. 4); 
  • модульный пневматический и электрический монтаж; 
  • модульная кабина.

      Электровоз состоит из двух секций. Каждая секция имеет каби¬ну управления и комплект оборудования, обеспечивающий работу одного локомотива, а также работу по системе многих единиц в со-ставе двух электровозов или в составе трех секций.

     ТЯГОВАЯ СИСТЕМА

     Основу тяговой системы каждой секции электровоза 2ЭС5 составляют тяговый трансформатор с четырьмя тяговыми обмотками, два тяговых преобразователя, каждый из которых имеет два независимых канала питания тяговых двигателей тележки. Схема тяговой системы электровоза представлена на рис. 1. Тяговый трансформатор содержит сетевую обмотку (СО), четыре тяговые обмотки Т01 — Т04 и обмотку фильтра (ФО), предназначенную для подавления радиопомех.

Таблица 1

Основные технико-экономические показатели электровоза 2ЭС5

Характеристики Значения показателей
Год начала выпуска 2012
Тип тягового привода асинхронный
Мощность продолжительного режима на валах тяговых двигателей, кВт, не менее 8400
Коэффициент мощности в продолжительном режиме, не менее 0,95
КПД в продолжительном режиме, не менее 0,86
Сила тяги, кН при трогании с места в продолжительном режиме

833

595

Межремонтные пробеги:

ТО

ТР

СР

 

1,5*104км,

100*104км,

1000*104км

Максимальная скорость в эксплуатации, км/ч 120
Статическая нагрузка от колесной пары на рельс, кН (тс) 245 (25)
Максимальное тормозное усилие, кН 500
Мощность рекуперативного тормоза, кВт 7600
Масса электровоза, т 200
Регулирование тягового усилия поосное
Питание двигателей вспомогательного привода статический преобразователь
Система противогаза есть
Срок службы электровоза, лет 40
Моторно-осевые подшипники качения Есть
Модульная кабина машиниста
Винтовой компрессор с системой осушки воздуха
Модульность компоновки оборудования электровоза
Плавное регулирование силы тяги и торможения
Укладка силового монтажа в желоба
Автоведение
Наличие статического преобразователя собственных нужд

 

     К выходу каждой тяговой обмотки подключен входной преобразователь — стабилизатор напряжения. К выходу входного преобразователя (звену постоянного напряжения) подключен инвертор напряжения для питания тягового двигателя М. К звену постоянного напряжения каналов преобразователей для питания второго и третьего тяговых двигателей подключены вспомогательные преобразователи ВП1 и ВП2. Элементная база преобразователя — силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) с жидкостно-воздушной системой охлаждения.

     К выходным зажимам каждого инвертора АИН подключены ста-торные обмотки одного из тяговых двигателей М. При переходе из тягового режима в режим рекуперативного торможения и при обратных переходах никаких переключений в силовой схеме не производится. Тяговые двигатели переводятся в генераторный режим путем понижения основной частоты напряжения относительно синхронной частоты, соответствующей данной скорости движения. При этом инверторы переходят в режим трехфазного выпрямителя.

     При рекуперативном торможении сетевые преобразователи за счет изменения алгоритма управления переводятся в инверторный режим, и поток энергии из промежуточного контура направля¬ется к тяговому трансформатору и далее в контактную сеть.

     Защита силовых цепей преобразователя и тяговых электро-двигателей от коротких замыканий, токов перегрузки и от замыканий на «землю» выполнена с помощью аппаратно-программных средств преобразователя, подчиняющихся системе управления, при срабатывании которых отключается ГВ QF1.

ВСПОМАГАТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД

      Система питания собственных нужд выполнена на базе двухканального статического преобразователя U4. Преобразователь первого канала питания подключен к звену постоянного напряжения второго тягового преобразователя. Преобразователь второго канала подключен к звену постоянного напряжения третьего тягового преобразователя. Нагрузки первого канала имеют постоянную (фиксированную) частоту вращения 50 Гц. Потребителями второго канала являются нагрузки с регулируемой частотой вращения: двигатели мотор-вентиляторов, вентиляторы наддува в кузов и жидкостные насосы охлаждения тяговых преобразователей.

     Напряжение звена постоянного напряжения тяговых преобра-зователей U1 и U2 через инверторы напряжения ВП1 и ВП2 вспо-могательного преобразователя U4, разделительные трансформа-торы Т1.6 и Т1.7 преобразуется в трехфазное напряжение 380 В.

     В случае неисправности какого-либо из преобразователей ВП1 (ВП2) линейный контактор KM_SCV11 (KM_SCV12) отключается, а контактор резервирования KM_SCV22 включается. После этого все нагрузки переходят в режим работы с постоянной частотой питающего напряжения 50 Гц. Оставшийся в работе преобразова-тель ВП2 (ВП1) питает все нагрузки.

ТЯГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

     На электровозе применен тяговый асинхронный двигатель 6 FRA 4567 G. Он предназначен для преобразования электриче¬ской энергии, получаемой от статического преобразователя, в ме-ханическую, передаваемую с вала тягового двигателя на колесную пару электровоза. Техническая характеристика двигателя пред-ставлена в табл. 2.

     Тяговый двигатель выполнен для опорно-осевого подвешивания и представляет собой шестиполюсный двигатель переменного трехфазного тока с короткозамкнутым ротором и независимой системой вентиляции. Охлаждающий воздух подается в тяговый двигатель со стороны редуктора через вентиляционный люк и выходит из тягового двигателя со стороны, противоположной редуктору через вентиляционные отверстия, закрытые сеткой.

     Статор. Механическая сборка выполняется с помощью восьми продольных пластин, которые расположены вокруг магнитной цепи, приварены к концевым пластинам и также приварены снаружи вдоль всей магнитной цепи. Механическая прочность обеспечивается за счет снятия напряжений (прокаливание при температуре примерно 600 'С). Данное решение позволяет обеспечить жесткую конструкцию двигателя.

     Ротор. Состоит из листов магнитной стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга, с низким коэффициентом электрических потерь. Листы собраны на валу под действием высокой температуры и зажаты между двумя концевыми пластинами. Изоляция обеспечивается за счет фосфатирования после вырезки и снятия заусенцев или путем использования предварительно изолированных стальных листов.

     Клетка ротора выполнена из медных стержней и колец, соеди-ненных с помощью высокочастотной индукционной пайки твердым припоем. Конечная форма придается стержням непосредственно на последней стадии изготовления. Кольца штампуются необходимого размера и подвергаются тепловой обработке для обеспе¬чения конечных механических характеристик. Двигатель динами¬чески сбалансирован.


Наименование показателя Значение
Номинальный режим работы часовой/продолжительный
Номинальная мощность, кВт 981/949
Номинальное напряжение, В 1860
Фазный ток, А 360/350
Номинальная частота вращения, об/мин 1038
КПД, % 95,4
Расход вентилирующего воздуха при полном напоре 1850 Па, не менее, (м3/мин) 90
Класс изоляции класс 200 (класс С)
Масса двигателя, кг 2660 ±5 %

 

      Подшипники. Подшипник роликового типа установлен с противоположной стороны редуктора. Подшипник заправляется консистентной смазкой с высокими температурными показателями. Еще одним новшеством является то, что для смазывания подшип-ника предусмотрено специальное смазывающее устройство, позволяющее периодически добавлять смазку, не снимая двигатель. Подшипник со стороны редуктора, являющийся частью конструкции двигателя, также является роликовым и смазывается веществом редуктора.

     Коробка выводов. Электрические силовые соединения выполняются с помощью водонепроницаемой соединительной коробки. Подсоединение и разъединение проводов, без съема двигателя, выполняется с помощью разъединительного устройства, предполагающего предварительный разогрев соединенных частей, под кузовом локомотива.

     СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Система управления (см. рис. 3) построена с использованием многоуровневых сетевых интерфейсов, объединяющих подсистемы электровоза 2ЭС5 в единый управляющий комплекс. В качестве межсекционной шины используется шина WTB, а в качестве внутрисекционной — шина MVB. По шине MVB происходит основной обмен сообщениями: внутри секции между дублированным блоком управления электровозом (БУЭ), блоком индикации (БИ) и блоком дискретного ввода (БДВ) в кабине машиниста, блоками управления оборудованием (БУО) и блоками управления тяговыми (БУТП) и вспомогательным преобразователем (БУВП) в кузове электровоза.

      Блоки БДВ и БУО, кроме дискретных входов и выходов, содержат в своем составе преобразователи интерфейса шины MVB, соответственно, в CAN, LIN и CANOpen интерфейсы. Данные ин-терфейсы используются для связи с органами управления, вспо-могательным оборудованием электровоза и системами автове-дения, торможения и безопасности движения. Для этих систем в целях повышения надежности предусмотрена отдельная дубли-рованная CAN-шина. В состав системы управления входит такой сетевой интерфейс, как Ethernet, предназначенный для сбора диа-гностических сообщений, поступающих с различного оборудова¬ния электровоза, и для передачи информации с системы видео-наблюдения.

     По шине WTB передается информация, необходимая для управления сцепом электровоза из нескольких секций. Модуль тормозного оборудования (МТО) ведущей секции имеет возможность обмена информацией с МТО в ведомых секциях с помощью выделенной дублированной CAN-шины. Секции связаны между собой также и с помощью сети Ethernet.

     Таким образом, архитектура системы управления электровоза 2ЭС5 обладает высокой скоростью обмена информацией между управляющими устройствами и надежностью. Чтобы обеспечить надежную эксплуатацию в климатических зонах РФ, проведен комплекс работ по адаптации электронных компонентов к работе в зимних условиях.

      МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

      Тележка (см. рис. 4) имеет общую конструкцию с тележкой электровоза Prima 4200/6000, хорошо зарекомендовавшей себя за продолжительный период эксплуатации на железных дорогах Китая, Европы и Северной Африки. Пневматический монтаж тележки (трубопроводы) выполнен из нержавеющей стали.

     При разработке электровоза 2ЭС5 существенно расширено, по сравнению с ранее реализованными проектами подвижного состава, применение математического моделирования на стадии проектирования. В частности, выполнено моделирование тепловых процессов кабины и кузова при различных температурах наружного воздуха, а также проведен комплексный расчет прочности кузова.

      Моделирование тепловых процессов позволило без транспортирования электровоза в район эксплуатации с экстремальными значениями температуры окружающего воздуха выполнить оценку работоспособности оборудования, расположенного в кузове. В то же время это дало выигрыш по срокам проектирования и исключило возможные конструктивные недочеты.

      Расчет прочности кузова позволил оптимизировать конструкцию несущих элементов кузова, исключить необоснованный расход материалов при сохранении необходимых запасов по прочности. Указанные работы способствовали оптимизации конструкции электровоза.

     В электровозе 2ЭС5 реализованы последние технические достижения мировых отраслей машиностроения и информатики в части конструкции, дизайна, энергосбережения и информационных технологий на транспорте. Локомотив способен удовлетворить растущие потребности ОАО «РЖД» в сегменте грузовых перевозок переменного тока. В ближайшей перспективе будет дан старт следующим, не менее масштабным проектам Трансмашхолдинга по созданию локомотивов и электропоездов.

 

                                                                                                                                     А.В. МАРЧЕНКО,

                                                                                                        заместитель генерального директора

                                                                          — директор филиала ООО «ТРТранс» в г. Новочеркасске,

                                                                                                                                         К.П. СОЛТУС,                                                                                                        ведущий конструктор ООО «ТРТранс»

                                                                                                                             Фото А. В. Омельченко

 

Статья "Знакомьтесь: электровоз 2ЭС5" в журнале "Локомотив" от 01.2013

     

 

 

 

 


2эс5_2

Рис. 1 Тяговая система электровоза 2ЭС5

 

2эс5_3

Рис. 2 Схема питания вспомогательных нагрузок электровоза 2ЭС5

 

2эс5_4

Рис. 3 Архитектура системы управления электровоза 2ЭС5

 

2эс5_5
2эс5_6

Рис. 4 Тележка электровоза 2ЭС5

 

Версия для печатиОтправить по почтеКод для блога
screenRenderTime=2