Высокоскоростной подвижной состав в мире.

Высокоскоростной подвижной состав в мире.

В настоящее время протяженность линий железных дорог составляет приблизительно 30 000 км (данные МСЖД 2015г.) Согласно определению МСЖД, высокоскоростным считается подвижной состав, конструкционная скорость которого составляет 250 км/ч и более. Однако первые образцы высокоскоростного подвижного состава появились еще до второй мировой войны. МСЖД приводит следующую хронологию развития ВСПС:

Историческ ая последовательность рвзвития высокоскоростного движения выглядит следующи образом:

Основные типы и характеристики первых скоростных и высокоскоростных поездов:

Скоростные трехфазные моторные вагоны AEG и SIEMENS

Работы по созданию вагонов начались в 1899 г. и к 1903 они был испытан и введен в эксплуатацию на линии Мариенфельде - Цоссен к югу от Берлина. Вагон S установивил рекорд скорости в 206, 7 км/ч-

Моторный вагон “S”

Моторный вагон серии “A”

Однако, такие вагоны имели существенный недостаток - сложную контактную сеть, трехфазный токосъем и несовершенную систему регулирования скорости. Уже в те годы было ясно, что необходимую для высокой скорости мощность может обеспечить только асинхронный или синхронный тяговый привод - крупногабаритные двигатели постоянного тока не разместить в тележке, а их большая масса существенно ухудшала воздействие. Поэтому оба вагона были оборудованы асинхронными двигателями со сложной системой регулирования. Однако, отсутствие преобразователей энергии и чрезвычайно сложная трехфазная систем токосъема, невозможность плавного регулирования частоты, ограничила дальнейшее развитие такого типа подвижного состава. Тем не менее, для 1903 г. результаты были впечатляющими:

23 октября вагон серии «S» (Сименс) установил рекорд скорости 206, 7 км/ч, а спустя 5 дней вагон серии «А» достиг скорости 210, 2 км/ч. Данные результаты остались непревзойденными в последующие 50-60 лет - этому помешали не только политические события¸ но и общее развитие техники и технологий. Для высокой скорости требовался бесколлекторный тяговый привод, а получить трехфазный ток переменной частоты при однофазном (однопроводном) токосъеме можно только за счет применения преобразователей электроэнергии. Существовавшие же в те годы электромашинные преобразователи, или чуть позже - преобразователи на основе ионных (ртутных) приборов по своим габаритам не обеспечивали необходимой мощности. Тем не менее в 60-х - 70-х гг. были созданы первые скоростные поезда на основе коллекторного тягового привода с упрощенной импульсной преобразовательной системой, однако они эксплуатировались со скоростями до 200-220 км/ч. Достичь больших скоростей можно только использованием синхронных (ряд серий поездов TGV), асинхронных (большинство высокоскоростных поездов), либо синхронных тяговых двигателей на основе постоянных магнитов.

Необходимость тягового привода высокой мощности диктуется высоким сопротивлением движению, аэродинамическая составляющая которого растет на больших скоростях в квадратичной зависимости от скорости.

Электрооборудование высокоскоростного электрического подвижного состава

Электрическое оборудование - предназначено для управления электроэнергией, поступающей из контактной сети к тяговым двигателям с целью обеспечения создания силы тяги и электрического торможения.

Электрооборудование высокоскоростного эпс делится на 2 большие группы - тяговое и вспомогательное.

Тяговое представляет собой высоковольтные устройства, непосредственно предназначенные для создания силы тяги, т.е. для питания тяговых электродвигателей.

Вспомогательное обеспечивает работу электрических устройств, не связанных непосредственно с созданием силы тяги, но без которых эксплуатация эпс невозможна. оно может быть как высоковольтным, так и низковольтным.

К электрическому оборудованию относятся:

Токоприемники

Токоприемники предназначены для обеспечения устойчивого контакта между контактной сетью и электрическими цепями моторных вагонов.

Аппаратура защиты

Аппаратура защиты предотвращает возникновение аварийных режимов при возникновении неисправностях и ошибках управления, чем предотвращает выход из строя как элементов самого электрооборудования, так и узлов механической передачи и тяговых электродвигателей

3. Пуско-регулирующая аппаратура. Предназначены для оперативного подключения и отключения тяговых и вспомогательных устройств.

Тяговые электродвигатели

Предназначены для преобразования подводимой к ним электрической энергии в механическую энергию движения поезда. При увеличении скорости сила тяги, которую могут развивать тяговые электродвигатели, меняется в соответствии с тяговой характеристикой.

6. Вспомогательное электрооборудование - мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы, климатические установки, системы освещения и прочие, предназначенные для создания комфорта пассажиров, цепи и устройства управления, аккумуляторные батареи

Тяговые характеристики скоростных электропоездов «Сапсан» ЭВС1 (2) (мощность ТЭД) 8000 кВт)

Тяговая характеристика имеет несколько характерных участков, форма которых определяется физическими характеристиками тягового привода и поезда, а также алгоритмом управления системы автоматического регулирования.

- на отрезке а-в при движении с малой скоростью поддерживается постоянная сила тяги.

- на отрезке в-с (до скорости 98 км/ч) осуществляется плавное регулирование, со снижением силы тяги. Такая форма кривой определяется физическим процессом – реализацией силы тяги по сцеплению. Для того, чтобы в процессе пуска не возникло боксование колесных пар, сила тяги поддерживается на уровне, меньшем чем ограничение по сцеплению, с необходимым запасом. Так кривая ограничения по сцеплению имеет тенденцию к снижению по мере увеличения скорости, система автоматического управления снижает и силу тяги с целью поддержания этого запаса. На всем участке а-в-с на зажимах тяговых асинхронных трехфазных тяговых электродвигателей (АТЭД) увеличиваются напряжение и частота. Можно сказать, что в этом режиме осуществляется частотное регулирование скорости тяговых двигателей, хотя система управления и работает по иному алгоритму – принципу так называемого «векторного управления», суть которого состоит в непосредственном регулировании угла нагрузки АТЭД, что позволяет напрямую регулировать вращающий момент. Однако законы частотного управления при этом все равно соблюдаются. Напряжение на зажимах двигателей повышается за счет увеличения коэффициента заполнения ШИМ (широтно-импульсной модуляции), а магнитный поток остается примерно постоянным, т е АТЭД работает с постоянным возбуждением.

Участок c – d

На скорости 98 км/ч мощность и напряжение тягового двигателя достигают номинального значения. Дальнейшее регулирование напряжения становится невозможным, и тяговый инвертор (PWR) обеспечивает примерно постоянное выходное напряжение. Для дальнейшего увеличения скорости на участке c-d производится увеличение частоты при постоянном напряжении. Это не дает возможность поддерживать на постоянном уровне силу тяги, а только мощность ТЭД. Так как

то при постоянной мощности сила тяги по мере увеличения скорости снижается обратно пропорционально (участок c-d ).

Так как величина потока асинхронной машины обратно пропорциональная частоте, то можно сказать, что на скоростях 98-250 км/ч АТЭД работает с ослабленным полем. Скорость 250 км/ч является в настоящее время предельной для электропоездов ЭВС 1(2), хотя тяговые свойства позволяют увеличивать скорость и далее.

Для того, чтобы оценить, какую скорость может развит электропоезд в тех или иных условиях, на тяговые характеристики нанесены кривые сопротивления движению: для движения на площадке и для движения по подъему с величиной 10⁰/₀₀. Так как сила тяги с увеличением скорости падает, а сила сопротивления движению растет (прежде всего, за счет аэродинамической составляющей), то в точке, где эти кривые пересекутся, сила тяги равна силе сопротивлению движения. Это значит, что поезд перестал разгоняться и движется равномерно. Если к основному сопротивлению движения, определяемому силами трения, добавляется сопротивление от подъема, результирующая кривая пойдет выше. Из рисунка видно, что на площадке (участке пути без подъема) точка пересечения кривых 100% мощности и сопротивления движению соответствует скорости более 300 км/ч, что говорит о принципиальной возможности достижения поездом такой скорости, при снятии ограничений. Если же поезд движется на подъеме крутизной 10⁰/₀₀, то точка пересечения соответствует скорости 235 км/ч, выше которой на таком подъеме поезд не разгонится.

Тяговые характеристики поезда используются при инженерных расчетах, называемых тяговыми. Цель тягового расчета - построить кривую (траекторию) движения поезда, представляющую из себя зависимости v(s) и t(s). По ним можно определить время хода, и в дальнейшем - построить график движения поездов. Также, используя приведенные ниже токовые характеристики, можно сделать предварительный расчет расхода электроэнергии на тягу поезда и определить нагрузку на тяговую сеть.

Рис. усл.2 Токовая характеристика поезда «Сапсан» при питании от постоянного тока с напряжением 3 кВ

При трогании с места (точка А) величина тока, потребляемого из контактной сети невелика, и составляет всего 67 А. Это значительно меньше, чем у традиционного ЭПС постоянного тока. Так, при пуске электропоезда ЭР2 на позиции «М» ток секции почти мгновенно возрастает до значения 140 А, а если контроллер установить в положение «1», то его величина может достичь 220 А (ток всего поезда - до 1100 А)! Причина этого – в совершенной системе управления поезда «Сапсан». Если в поезде ЭР2 избыточная энергия тратиться на нагрев пусковых сопротивлений, то в системе с асинхронным электроприводом это явление отсутствует – ток при скорости «0» определяется потерями в двигателе и преобразователе, а также потреблением энергии на собственные нужды. Такое малое значение тока без малейшего опасения может выдержать даже один токоприемник, в то время, как на традиционных электропоездах ЭР2, ЭР2Т ЭТ и ЭД каждую секцию необходимо питать от своего токоприемника, из-за опасности пережога контактного провода. Из-за этой причины схема с крышевыми соединителями на пригородных электропоездах постоянного тока практически никогда не применялась (кроме ЭР12 и ЭМ2И), так как широко использовались угольные вставки полозов.

В дальнейшем ток начинает расти, вначале пропорционально скорости, затем с небольшим уменьшением, определяемым тяговой характеристикой. К скорости 5 км/ч (точка В) он достигает величины 412 А, а к точке С, соответствующей скорости 98 км/ч его величина составляет 3123А, т.е. максимальный уровень. Однако, токоприемник может выдержать этот ток, так как при большой скорости полоз хорошо охлаждается набегающим потоком, а локальный перегрев контактного провода невозможен. Мощность в этот момент несколько выше паспортной и составляет около 9000 кВт, так как работает не только тяговый привод, но и вспомогательные потребители, потери в преобразователях тоже растут.

Следует отметить, что в этот момент система электроснабжения работает наиболее напряженно, особенно если на одной фидерной зоне оказываются 2 электропоезда, например при скрещении. Из-за этого возможно срабатывание защиты со снятием, либо переключение на пониженное напряжение. После точки С рост тока прекращается, и происходит даже некоторое его снижение из-за изменения режима работы тяговых инверторов и особенностей алгоритма управления. В отличие от ЭПС постоянного тока, в точке D, соответствующей максимальной эксплуатационной скорости, «Сапсан» развивает практически номинальную мощность, за счет плавного регулирования магнитного потока и скольжения асинхронных тяговых электродвигателей.

Токовая характеристика в режиме питания от переменного тока 25 кВ по форме аналогична кривой для питания от постоянного тока, так как четырехквадрантный регулятор 4QS обеспечивает потребление из сети только активной мощности. Разница заключается в величине тока, которая меньше в 8, 4 раза

Тяговые двигатели ВСПС

Тяговые электродвигатели являются основной частью электрооборудования высокоскоростных поездов.

Соотношение массы, габаритов, КПД и мощности тяговых двигателей различного типа можно оценить по следующему рисунку:

Япония

Япония является пионером высокоскоростного движения. на линиях Shinkansen эксплуатируются около 250 высокоскоростных поездов, причем поезда первого и даже второго поколений выведены из эксплуатации, что нехарактерно для других стран. Практически все оставшиеся в эксплуатации поезда имеют конструкционную и эксплуатационную скорость свыше 250 км/ч

Одними из наиболее совершенных являются поезда серии 700-7000, имеющие конструкционную и максимальную эксплуатационную скорость 300 км/ч.

Франция

Парк высокоскоростного подвижного состава Франции представлен поездами TGV различных модификаций. Поезда AGV, предназначенные в дальнейшем для замены TGV и выпускаемый компанией Alstom, пока поставляются только в Италию.

На конец 2014 г., по данным МСЖД, в эксплуатации непосредственно во Франции находилось 514 составов, не считая поездов, эксплуатирующихся в Бельгии. Во Франции, в отличие от Японии, старые поезда не списываются, а проходят глубокую модернизацию.

Первыми поездами, открывшими высокоскоростное движение во Франции, стали TGV-PSE (Paris-Sud-Est, или Париж-Юго-восток)

Основная особенность конструкции - применение сочлененных вагонов, опирающихся на двухосные тележки, установленные в местах сочленений. Такие тележки в мировой практике получили название «тележки Якобса». Второй особенностью этих поездов является применение так называемой «сосредоточенной тяги», т.е. фактически в голове и хвосте стоят нерасцепляемые вагоны-электровозы. Однако поезда TGV имели частично обмоторенные крайние вагоны. В годы создания поездов TGV такое решение было оправданным, так как мощное электронное оборудование занимало большой объем и разместить под вагоном его не удавалось. Не было также и двигателей, по размерам подходившим к тележке Якобса. Все поезда имели так называемые «вентильные» двигатели, за исключением самых первых образцов.

a) Высокоскоростной поезд TGV PSE с сосредоточенной тягой

б) Тележка Якобса

Германия

Основу парка высокоскоростных поездов Германии составляют поезда ICE различных модификаций. Первый поезд ICE 1 был введен в эксплуатацию в 1991 г., с тех пор количество этих поездов на сети DB AG более 250. Поезда имеют различную конструкцию, которая совершенствовалась по мере развития техники. Первые поезда имели сосредоточенную тягу, последние - распределенную. Часть поездов (ICE-T) предназначенные для эксплуатации на участках с большим количеством кривых, имеют наклоняемые кузова.

Наиболее мощным и скоростным является электропоезд ICE 3

Испания

Железнодорожная сеть Испании (RENFE) исторически сложилась так, что имелись линии с разной шириной колеи -1668, 1435 и узкоколейные линии. Специфика высокоскоростного движения такова, что время затраченной на перестановку тележек, становится соизмеримым с временем поездки. Поэтому одна из особенностей ВСПС Испании - использование системы с раздвижными колесными парами и переводными станциями (устройствами). На данный момент времени, такой способностью обладают только подвижной состав производства компании TALGO, однако на участках с колеей 1435 мм эксплуатируются и другие поезда.

Поезд Talgo S730

Италия

В настоящее время в Италии эксплуатируются высокоскоростные поезда, в соответствии с приведенной таблицей.

Основу парка составляют поезда серий ETR различных модификаций (ETR - аббревиатура от Elettro Treno Rapido -скоростной электропоезд) Поезда первых выпусков произведены итальянским концерном FIAT FERROVIARIA. В дальнейшем производство осуществлялось на тех же мощностях, но компанией ALSTOM. Все первые серии имели систему наклона кузовов в кривых, отчего их также называют «Пендолино» (маятник). Первые серии предназначались для смешанного движения и имели конструкционную и эксплуатационную скорость 200-250 км/ч. Поезда ETR 200 выпускались с 1934-1937 гг. и эксплуатировались до 1993 г. Более поздние ETR 300 (Sitabello) эксплуатировались до 1984 г. Максимальная скорость - 160 км/ч не позволяла отнести их к высокоскоростным.

Высокоскоростные поезда КНР

Парк высокоскоростных поездов Китая отличается крайним разнообразием. Менее чем за 10 лет (с 2008 г.) парк увеличился почти в 200 раз. Все китайские поезда, независимо от производителя, маркируются аббревиатурой CRH - China Rail High-speed, цифровым и буквенным индексом. Причем, в отличие от большинства стран, где цифровой индекс обозначает тип поезда, а буква в конце - его модификацию, в Китае буква также обозначает тип.

Так, поезда CRH 380A и CRH380 B построены на принципиально разной базе и выпускаются разными заводами. Первые поезда CRH1A, B и E 2006- 2009 гг. нельзя назвать чисто высокоскоростными, так как несмотря на конструкционную скорость 250 км/ч реальная эксплуатационная не превышала 200-220 км/ч. Поезда выпускались совместно компаниями Bombardier и Sifang, причем производство было перенесено в Китай.

а)

б)

Поезда CRH1A (a) и его европейский прототип Regina (b) производства компании Bombardier

Электропоезд CRH380B

Высокоскоростной моторвагонный поезд CRH380B, построенный компанией China Northern Railways, который испытывается и впоследстии будет эксплуатироваться на новой линии Далянь – Харбин протяженностью 917 км позволит значительно уменьшить время хода - с нынешних 9 ч. до 3, 5 ч. Конструкционная скорость поезда составляет 380 км/ч, максимальная эксплуатационная - 350 км/ч. Однако во время испытаний удалось разогнать состав до рекордных для такого тапа поездов 457 км/ч, что немного меньше чем у другого китайского " рекордсмена" CRH 380A (513 км/ч). Огромная скорость обусловлена высокой суммарной мощностью тяговых двигателей - для 8-вагонных поездов CRH380B она составляет 9200 кВт, а для 16-вагонной модификации CRH380BL - 18400 кВт (для сравнения- мощность 10-вагонного " Сапсана", построенного на той же платформе " Velaro", составляет 8000 кВт).

Высокоскоростной подвижной состав в мире.

Историческ ая последовательность рвзвития высокоскоростного движения выглядит следующи образом:

Основные типы и характеристики первых скоростных и высокоскоростных поездов:

12 3 4 Следующая ⇒