Компания ABB — один из ведущих поставщиков электрооборудования и систем управления для подвижного состава и устройств электроснабжения активно участвует в модернизации локомотивов и моторных вагонов с целью повышения их тягово-энергетических показателей, эффективности и надежности.
Содержание
Компания располагает многолетним опытом разработки и производства, разветвленной сетью предприятий (рис. 1). Более 50 % эксплуатируемых в мире единиц подвижного состава переменного тока оснащено тяговыми трансформаторами, изготовленными ABB.
Рис. 1. Производственный комплекс АВВ в Турги (фото: ABB)
Компания выпускает также полупроводниковые преобразователи для питания тяговых цепей и собственных нужд, тяговые двигатели, ограничители перенапряжения, низковольтные компоненты, зарядные устройства, системы управления и мониторинга (рис. 2).
Рис. 2. Тяговое оборудование компании АВВ на электровозе
В своей деятельности компания ориентируется на такие ключевые принципы, как расширение партнерства изготовителей подвижного состава и поставщиков подсистем и комплектующих, поставка оборудования «под ключ» и снижение затрат жизненного цикла и потребления электроэнергии.
ABB активно внедряет инновационные технические решения для обеспечения:
- высокой надежности тягового оборудования;
- плавности хода подвижного состава и комфорта для пассажиров;
- энергетической эффективности, в том числе путем применения систем накопления энергии;
- повышенной удельной мощности, снижения массы, максимальной компактности компонентов тягового привода.
При этом компания широко использует модульные системы и современные средства диагностики.
Выбор в пользу модернизации
Даже для подвижного состава, обладающего высокой надежностью и значительным сроком службы, наступает момент, когда затраты на ремонт и замену его компонентов, а также несоответствие оборудования возросшим требованиям становятся слишком обременительными для оператора. С другой стороны, растущие требования пассажиров к уровню комфорта вынуждают принимать решение о модернизации или переходе на более современную модель. Поскольку при этом экипажная часть и кузов зачастую имеют еще достаточный ресурс, наиболее рациональным выходом представляется модернизация. Компания ABB приняла участие в осуществлении нескольких проектов обновления подвижного состава (таблица).
Один из первых проектов модернизации подвижного состава был реализован АВВ в рамках контракта с железными дорогами Германии. Высокоскоростные поезда ICE 1 к тому времени находились в эксплуатации около 10 лет и уже не соответствовали возросшим требованиям к энергоэффективности и эксплуатационной готовности. Техническим заданием была предусмотрена замена установленных на поездах тиристорных преобразователей при сохранении существующих трансформаторов и тяговых двигателей, а также системы управления. В течение года специалисты АВВ разработали новый трехуровневый тяговый преобразователь на транзисторах IGBT, составляющий основу тягового модуля BORDLINE CC1500 мощностью 4,8 МВт. Модернизация каждой тяговой единицы осуществлялась в течение недели. В результате значительно сократились эксплуатационные расходы, повысилась надежность и эксплуатационная готовность поездов, а энергопотребление снизилось в среднем на 15 %.
На индийских электровозах WAG9 (рис. 3), WAP7, WAP5, построенных в 1995 – 1998 гг., было решено заменить преобразователи на базе GTO-тиристоров, оставив прежними систему управления, тяговые трансформаторы и тяговые двигатели. При этом предполагалось, что конструкция новых блоков должна легко адаптироваться для локомотивов разных серий, сохранять работоспособность при высоких температурах окружающей среды, а также быть максимально удобной для обслуживающего персонала.
Рис. 3. Электровоз WAG9 железных дорог Индии (фото: ABB)
Перед конструкторами стояла задача создать тяговый преобразователь на транзисторах IGBT, систему управления, обеспечивающую поосное регулирование, варианты преобразователей для 4- и 6‑осных локомотивов, а также улучшить контроль сцепления в пятне контакта колесо — рельс. В результате установки преобразователей BORDLINE CC1500АС (в отдельных случаях — совместно с заменой трансформаторов LOT 6500/6700) существенно улучшились тяговые характеристики локомотивов при любых погодных условиях. Это позволило увеличить массу ведомых поездов на 9 % (до 5,5 тыс. т), повысить энергоэффективность и надежность тягового привода.
Модернизация электровозов серии Re 460
Электровозы серии Re 460 (Lok 2000) Федеральных железных дорог Швейцарии (SBB) получили вторую жизнь благодаря модернизации, предусматривавшей установку нового силового оборудования, поставленного АВВ. Они выпускались компанией Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) в 1991 – 1996 гг. и стали последними магистральными локомотивами, полностью изготовленными в Швейцарии (рис. 4).
Рис. 4. Электровоз Re 460, оформленный к 125-летию компании АВВ (фото: П. Яковлев)
В сентябре 2014 г. компании АВВ и SBB подписали контракт стоимостью 70 млн долл. США, предусматривающий замену 202 тяговых преобразователей на электровозах Re 460 (Lok 2000) с опцией на 38 ед. На реализацию программы модернизации локомотивов этой серии выделено 230 млн швейц. фр. (234,5 млн долл. США). Замена оборудования позволит продлить срок службы электровозов на следующие 20 лет. Достигнутая благодаря выполнению программы экономия электроэнергии на тягу поездов составит 27 ГВт·ч в год, что примерно соответствует обеспечению электроэнергией города Ольтен в Швейцарии (6750 домовладений).
Специалисты предприятия АВВ в Турги разработали и изготовили модули преобразователя новейшего поколения на транзисторах IGBT с водяным охлаждением (рис. 5) на основе платформы BORDLINE. Первый модернизированный электровоз поступил к заказчику в конце 2015 г. После утверждения отчета об успешно проведенных испытаниях началась работа над остальными локомотивами, которую предстоит завершить в 2021 г. В настоящее время на сети SBB эксплуатируются около 20 электровозов, прошедших модернизацию и оснащенных новыми преобразователями компании ABB.
Рис. 5. Тяговый преобразователь BORDLINE CC 1500
Модернизация парка локомотивов SBB является существенной составной частью принятой в Швейцарии в 1980‑х годах программы Rail 2000, которая предусматривает повышение провозной способности железнодорожных линий и скорости движения поездов. За 20 лет работы пробег практически всех локомотивов превысил 5,5 млн км, при этом диагностика показала, что их тяговые двигатели, трансформаторы и системы управления находятся в удовлетворительном состоянии.
В первоначальном варианте проекта модернизации электрооборудования локомотивов была предложена двухуровневая архитектура. В дальнейшем применялась более энергоэффективная трехуровневая архитектура, при которой достигается более правильная форма синусоиды и соблюдается допустимый уровень гармонических искажений (рис. 6).
Рис. 6. Блок-схема тяговой системы
Достижение таких же характеристик при использовании двухуровневого преобразователя возможно при более высокой частоте коммутации, чему сопутствуют потери энергии, повышенный уровень шума и необходимость применения усиленной электроизоляции. Каждый из двух тяговых преобразователей обеспечивает питанием два тяговых двигателя одной тележки (рис. 7).
Рис. 7. Силовой модуль тягового преобразователя
В отличие от использовавшейся ранее масляной системы охлаждения в новых преобразователях предусмотрена более экономичная, компактная и безопасная водяная система. Циркуляционный водяной насос при отсутствии нагрузки отключается, что также способствует снижению потребления энергии и уровня шума.
Стендовые испытания преобразователей на заводе компании АВВ в Турги с подключением электродвигателей, используемых на электровозе Re 460, прошли успешно. Первые два преобразователя были установлены на электровозе Re 460 на предприятии SBB в г. Ивердон-ле-Бен. Эксплуатационные испытания проходили на линиях SBB в течение года. Согласно контракту все поставленные АВВ преобразователи будут также устанавливаться на локомотивы на предприятиях SBB.
Перспективы
Трехуровневые тяговые преобразователи переменного тока для локомотивов, разработанные АВВ 25 лет назад, продолжают демонстрировать высокую энергоэффективность при относительно малых затратах на обслуживание.
Как правило, ходовая часть и кузов локомотива рассчитаны на более длительный срок службы, чем его электрическое и электронное оборудование. Поэтому наряду с закупкой новых локомотивов модернизация, сопровождающаяся установкой современного высокотехнологичного тягового оборудования, может стать доступным и быстрым средством обновления парка. При этом параметры обновленных локомотивов соответствуют современным требованиям в отношении улучшения тяговых характеристик, повышения энергетической эффективности и сокращения эксплуатационных расходов.
Материалы компании ABB (www.abb.com).
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2018, № 4.
