Электровозы
Грузовой электровоз серии 23Е для ЮАР В 2014 г. компания Bombardier получила заказ на поставку в ЮАР 240 электровозов повышенной мощности для вождения грузовых поездов с углем и рудой. Их предполагалось эффективно использовать на линиях с шириной колеи 1067 мм и уменьшенным габаритом приближения строений, в том числе и на участках с затяжными уклонами. При проектировании электровоза 60 % конструкторских разработок должны были выполнить местные специалисты, так что в Европе изготавливалось ограниченное число компонентов. Государственные железные доро‑ ги ЮАР последний раз заказывали электровозы в начале 1980‑х годов. В дальнейшем до середины следую‑ щего десятилетия электровозный парк обновлялся только мелкими сериями либо за счет модернизации существующих локомотивов. В целом в локомотивном парке железных дорог ЮАР преоблада‑ ли электровозы постоянного тока, часть из которых переоборудована на базе тиристорных регуляторов. Электровозы были односистемны‑ ми и предназначались для эксплуа‑ тации под контактной сетью посто‑ янного тока напряжением 3 кВ или однофазного переменного напряже‑ нием 25 кВ и частотой 50 Гц. Отдельную группу представляют односистемные электровозы пере‑ менного тока, работающие под кон‑ тактной сетью напряжением 50 кВ, 50 Гц на линии Салданья — Сайшен. Первые двухсистемные элек‑ тровозы серии 14Е появились толь‑ ко в начале 1990‑х годов. Они бы‑ ли оборудованы преобразователя‑ ми с промежуточным звеном посто‑ янного тока. Всего на основе этой технологии были построены только три электровоза серии 14Е и десять электровозов серии 14Е1, посколь‑ ку технология с промежуточным звеном постоянного тока приме‑ нима только в случае синхронных тяговых двигателей. В 1990‑е годы
уже получила широкое распростра‑ нение система с асинхронными тя‑ говыми двигателями, получающи‑ ми питание от тяговых преобразо‑ вателей с промежуточным звеном постоянного напряжения. После модернизации устарев‑ ших электровозов серии 6Е1 до уровня серий 16Е, 17Е и 18Е юж‑ ноафриканская грузовая компа‑ ния TFR перешла на современную систему трехфазного тягового при‑ вода. В 2009 г. были заказаны 110 электровозов серии 19Е. Эти четы‑ рехосные двухсистемные электро‑ возы явились первыми локомоти‑
вами массового выпуска, оснащен‑ ными современными тяговыми пре‑ образователями. Процесс модернизации и сме‑ ны поколений локомотивов на же‑ лезных дорогах ЮАР продолжался, и в марте 2014 г. компании Bom‑ bardier были заказаны 240 шести‑ осных двухсистемных электро‑ возов TRAXX Afriсa серии 23Е по классификации компании TFR (рис. 1). Всего же, помимо боль‑ шого числа тепловозов, компания TFR, эксплуатирующая линии ко‑ леи 1067 мм, схема которых пока‑ зана на рис. 2, заказала 699 четырехи шестиосных двухсистемных локо‑ мотивов (3 кВ постоянного тока и 25 кВ, 50 Гц). Во избежание рисков, связан‑ ных с возможностью срыва поста‑ вок, TFR приняла решение покрыть имеющийся значительный дефи‑ цит тягового подвижного состава, используя разработки разных ком‑ паний. Так, электровозы серии 19Е изготавливались по японской тех‑ нологии, локомотивы серий 20Е и 21Е с повышенной осевой нагруз‑ кой, а также 22Е оснащены систе‑ мами китайского производства, а реализация электровоза 23Е бази‑ руется на европейских технологиях.
Рис. 1. Дизайн-проект электровоза TRAXX Afriсa (источник: Bombardier)
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6 37
Электровозы
Система тяги: тепловозная тяга 3 кВ постоянного тока 25 кВ, 50 Гц 50 кВ, 50 Гц
Мусина Лепхалале
Фалаборва Лиденбург Коматипорт
Мафикенг Йоханнесбург
Колиньи
Хотазел
Врайхайд
Сайшен Кимберли
РичардсБэй
Блумфонтейн Де-Аар
Спрингфонтейн Наупорт
Порт-Шепстон
Салданья Кейптаун
Дурбан
Ист-Лондон Порт-Элизабет
Рис. 2. Схема линий колеи 1067 компании TFR
Экономические особенности Размещая заказ на подвижной состав, правительство ЮАР рас‑ считывает не только на обновле‑ ние локомотивного парка, но и на развитие промышленности страны. Поэтому ставится задача не просто приобретать современную готовую продукцию, но и организовывать локальное производство компонен‑ тов. При оценке проектов в первую очередь учитывается целесообраз‑ ность создания таких производств,
а также образованность и профес‑ сиональные навыки привлекаемых трудовых ресурсов. Правительство предъявляет требование, чтобы доля локализа‑ ции составляла не менее 60 % все‑ го объема производства. Компания Bombardier, получившая заказ на поставку электровозов серии 23Е, в полной мере соответствует этим условиям, поскольку производит на месте тяговые преобразовате‑ ли, компоненты тяговой передачи, приборные шкафы, тележки и кузо‑ Таблица 1
Технические данные электровоза серии 23Е
Параметр
Значение параметра
Общая масса, т
132
Статическая осевая нагрузка, т
22
Диаметр колес новых/изношенных, мм
1220/1136
Сила тяги при трогании, кН
480
Номинальная тяговая и тормозная мощность, МВт
3,8
Максимальная скорость, км/ч Длина по сцепкам, мм Ширина кузова, мм Высота с опущенным токоприемником, мм Расстояние между центрами тележек, мм Расстояние между крайними осями в тележке, мм
100 22 900 2900 4140 13 400 3700
ва, а также выполняет полную сбор‑ ку всех 240 электровозов. Заказчик определил местом окончательной сборки электрово‑ зов портовый город Дурбан, являю‑ щийся третьим по величине после Йоханнесбурга и Кейптауна в ЮАР.
Общее описание Концепция Электровоз серии 23Е представ‑ ляет собой специальную разработ‑ ку, соответствующую требовани‑ ям заказчика, в которой отражены особые требования железных дорог ЮАР, в том числе: • уменьшенный наружный габа‑ рит, соответствующий южноафри‑ канскому габариту подвижного со‑ става; • ширина колеи 1067 мм; • дополнительные двери в торце; • возможность эксплуатации под контактными сетями постоянного тока напряжением от 1,8 до 4,1 кВ и переменного частотой 50 Гц, на‑ пряжением от 16 до 31 кВ; • возможность эксплуатации в ре‑ жиме многократной тяги при нали‑ чии в составе поезда до восьми ло‑ комотивов; • электрическая тормозная мощ‑ ность 3,4 МВт при использовании тормозных резисторов; • возможность эксплуатации при температуре наружного воздуха до +40 °C, а в тоннелях — местами до +200 °C. Прочие характеристики элек‑ тровоза в принципе традиционные: • кабина машиниста — в одном из торцов; • индивидуальный привод осей; • ходовая часть — две трехосные тележки. Остальные технические данные приведены в табл. 1. Конструктивная схема с цен‑ тральным проходом, моторные те‑ лежки типа FLEXX-Power, высоко‑ вольтное оборудование и возмож‑ ности дальнейшего совершенство‑
38 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6
Электровозы
1
25
2
24 23
3
22
4 5
21
6
20
7
19
18
8
17
9
16 15
10
14
13
12
11
Рис. 3. Размещение компонентов оборудования на электровозе 23Е: 1 — задняя стенка кабины; 2, 3, 5, 12, 14, 16 — вентиляторы охлаждения тяговых двигателей; 4, 22 — стойки систем управления и связи; 6, 19 — охладитель; 7 — преобразователи тяговые и собственных нужд; 8, 9 — охладители тормозных резисторов; 10 — туалет; 11 — компрес‑ сор и осушитель воздуха; 13 — управление системой торможения; 15 — вентилятор машинного отделения; 17 — аккумуляторная батарея и зарядный агрегат; 18 — высоковольтная ячейка, компрессор; 20 — панель собственных нужд напряжением 400 В переменного тока; 21 — панель собственных нужд напряжением 110 В постоянного тока; 23 — установка кондиционирования воздуха; 24 — кабина машини‑ ста; 25 — пульт управления
вания тягового привода c функцией last mile станут этапами дальнейше‑ го развития семейства TRAXX. Механическая часть Размещение компонентов на электровозе показано на рис. 3. Кабина машиниста. Совре‑ менное рабочее место машиниста (рис. 4) в принципе не отличается от того, которое сегодня существу‑ ет в современных локомотивах Ев‑ ропы. Есть, однако, и отличия — на‑ пример, расположенный справа ры‑ чаг тормозного контроллера и пра‑ вое расположение всего пульта управления ввиду того, что слева находится торцовая входная дверь. Сбоку и на задней стенке каби‑ ны размещаются другие элементы управления, например для выбора системы тока или включения осве‑ щения. Здесь же находится вароч‑ ная плита, холодильник и шкаф для одежды. Кроме видеокамер контроля то‑ коприемников и контактной се‑ ти, на электровозе предусмотрены и другие телевизионные системы, размещенные на фронтальной ча‑ сти кабины. Тележки и тяговая передача. Обе трехосные тележки (рис. 5) вы‑ полнены в соответствии с принци‑ пом Flexfloat — без шкворней, с на‑ дежной и простой по конструкции рамой, способной воспринять все
возникающие нагрузки. Усилие от тележки на кузов электровоза пере‑ дается с помощью низко располо‑ женной штанги. Система сжатого воздуха и тормоза. На современном тяговом подвижном составе используется высокоэффективный пневматиче‑ ский тормоз. Ввиду относительно неболь‑ шой скорости движения и ограни‑ ченного строительного простран‑ ства на локомотиве пришлось от‑ казаться от установки дисковых тормозов и остановиться на тради‑
ционных колодочных с современ‑ ными тормозными накладками. Ко‑ лодочный тормоз выполняет функ‑ ции качественной очистки поверх‑ ностей катания колес, благодаря чему поддерживается и без того эф‑ фективный и одновременно опти‑ мизированный по износу контроль силы тяги. Пневмосистема локомотива по‑ лучает питание от винтового ком‑ прессора производительностью 2750 л/мин. Двухкамерный осуши‑ тель обеспечивает минимальную влажность сжатого воздуха.
Рис. 4. Макет пульта управления
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6 39
Электровозы
Для управления тормозами ис‑ пользуется система Knorr Brem se/NYAB, CCB-2, распространенная на сетях Ассоциации американских железных дорог (AAR). Локомотив 23Е имеет три сквоз‑ ные воздушные магистрали: • линия главного воздушного ре‑ зервуара, получающая питание от поездной пневмосистемы; • тормозная магистраль, управ‑ ляющая тормозами всего поезда; • линия подачи сжатого воздуха к тормозным цилиндрам, непосред‑ ственно управляющая тормозными системами всех локомотивов, вхо‑ дящих в состав поезда. Тормозной компьютер имеет собственный дисплей для ввода па‑ раметров тормозного режима и ото‑ бражения данных тормозной систе‑ мы: давления, скорости воздушного потока, информации о фактическом состоянии и возникающих отклоне‑ ниях. Этот дисплей может также ис‑ пользоваться для самодиагностики, вывода данных и отображения ра‑ бочих характеристик. Для служебного торможения применяется комбинированный электрический тормоз, т. е. рео‑ статный и рекуперативный. В слу‑ чае экстренного торможения на ло‑ комотиве срабатывает только пнев‑ матический тормоз.
Тяговое электроснабжение и привод Система тягового привода по‑ строена на основе успешной и хо‑ рошо зарекомендовавшей себя кон‑ цепции приводов семейства элек‑ тровозов TRAXX и не содержит принципиально новых технических решений. Основными компонентами тяго‑ вого привода являются: • высоковольтное оборудование; • главный трансформатор, дрос‑ сели и фильтры; • п реобразователи: тяговый и собственных нужд; • тяговые двигатели и редукторы. Высоковольтное оборудование частично расположено на кры‑ ше электровоза, остальное — в вы‑ соковольтной ячейке машинно‑ го отделения. На крыше установ‑ лены два токоприемника. Один из них предназначен для эксплуата‑ ции под контактной сетью посто‑ янного тока, другой — переменно‑ го. По шинам, смонтированным на опорных изоляторах, ток подводит‑ ся к средней части крыши, где уста‑ новлены разрядники и устройство переключения систем тягового то‑ ка. Отсюда через высоковольтный ввод ток поступает в высоковольт‑ ную ячейку машинного отделения.
Рис. 5. Тележка электровоза
Здесь расположены два главных выключателя для обеих систем то‑ ка с соответствующими датчика‑ ми, разрядниками и заземляющи‑ ми устройствами. На некоторых электровозах на крыше установле‑ ны также телекамеры для наблюде‑ ния за токоприемниками и контакт‑ ной подвеской. Блок трансформаторов и дросселей установлен под сред‑ ней частью кузова. Он, как и многие другие эффективные системы, пред‑ ложенные компанией Bombardier, рассчитан на использование с обе‑ ими системами тока и изготовлен компанией АВВ Тransformatoren. В качестве хладагента используется хорошо зарекомендовавшее себя в эксплуатации минеральное транс‑ форматорное масло. Главный трансформатор с ше‑ стью тяговыми обмотками облада‑ ет характеристиками, обеспечиваю‑ щими минимальное воздействие тя‑ гового тока на питающую сеть. В со‑ единении с сетевым фильтром он позволяет выдерживать требова‑ ния по уровню передаваемых в сеть мешающих напряжений даже при многократной тяге с использовани‑ ем до шести электровозов в поезде. При этом учитываются также и ре‑ жимы с отдельными выключенны‑ ми тяговыми агрегатами. В случае движения под контакт‑ ной сетью постоянного тока неза‑ висимые мощные дроссели вклю‑ чаются в схему сетевых фильтров. При этом обеспечивается допусти‑ мый уровень воздействия тяговой цепи на питающую сеть, а также степень обратного воздействия се‑ ти на тяговые цепи. Для отвода тепловых потерь трансформаторно-дроссельного блока и токовых цепей преобразо‑ вателей электровозы снабжены дву‑ мя усиленными комбинированны‑ ми системами охлаждения. В отли‑ чие от большинства европейских локомотивов в данном случае бы‑ ла выбрана схема бокового забора воздуха, что связано с необычны‑
40 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6
Электровозы
ми габаритами локомотива и по‑ вышенной температурой наружно‑ го воздуха. Через решетку в боковой стен‑ ке и систему фильтров воздух про‑ ходит через водно-воздушный охладитель преобразователя то‑ ка, а также через масляно-воздуш‑ ный охладитель трансформаторнодроссельного блока, после чего вы‑ брасывается вниз и уходит в атмо‑ сферу. Тяговые преобразователи, а также преобразователь питания вспомогательных устройств (собственных нужд) выполне‑ ны на основе хорошо зарекомен‑ довавшего себя и усовершенство‑ ванного преобразователя семей‑ ства MITRAC TC3300. Как надеж‑ ные и эффективные агрегаты, они в больших количествах использу‑ ются в Европе, Азии и Северной
Контакторы выбора системы тока
Контакторы выбора системы тока
3 кВ постоянного тока 25 кВ, 50 Гц
Сетевые регуляторы
Таблица 2 Технические данные преобразователя MITRAC DR 3900N
Параметр
Значение
Масса, кг
4000
Тип тягового двигателя
6FRA8240
Класс изоляции
200
Крутящий момент на валу двигателя, кН·м
<10
Передаточное число одноступенчатого редуктора
5,8:1
Америке. Проверенные в эксплуа‑ тации компоненты преобразовате‑ ля и прогрессивная концепция, до‑ пускающая вариативность параме‑ тров, явились базой для создания локомотива повышенной мощно‑ сти (табл. 2). Регулирование тягового приво‑ да осуществляется блоком MITRAC DCU2, который успешно применя‑ ется во всех тяговых системах ком‑ пании Bombardier со времени его Преобразователи Сетевые и потребители фильтры постоянного тока
Батарея конденсаторов промежуточного контура
первого внедрения на двухсистем‑ ном поезде серии S130 c изменяе‑ мой колеей Государственных же‑ лезных дорог Испании (RENFE). На рис. 6 показана схема тяговых це‑ пей локомотива. Система охлаждения тягового блока, и в первую очередь преоб‑ разователя, а также система конди‑ ционирования кабины машиниста выполнены достаточно эффектив‑ ными. В этом плане особо тяжелым Преобразователь и трансформатор собственных нужд
≈
Тяговые инверторы
= =
=
~ ≈
=
≈
= ~ ≈
=
К вспомогательным устройствам
=
≈
= ~ ≈
= =
=
~ ≈
= =
= ~ ≈
=
=
Трансформатор и дроссели
М 3~
М 3~
М 3~
~ ≈
≈
≈
М 3~
~ ≈
=
≈
Тяговые двигатели
К вспомогательным устройствам
= ~ ≈
М 3~
М 3~
Рис. 6. Принципиальная схема тяговых цепей локомотива TRAXX Africa
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6 41
Электровозы
Рис. 7. Моторно-редукторный блок MITRAC DR3900N
режимом является прохождение длинных тоннелей с высокой тем‑ пературой воздуха длинносостав‑ ными поездами многократной тяги (до шести электровозов). Посколь‑ ку электровозы оснащены электри‑ ческим реостатным тормозом, то при его срабатывании в тоннеле до‑ полнительно выделяется большое количество тепла. Следует иметь в виду, что эти тя‑ говые агрегаты при движении по‑ езда под уклон, в том числе в тон‑ нелях большой длины, должны бы‑ ли выполнять и генераторное тор‑
в то время как второй имеет на вы‑ ходе регулируемые частоту и напря‑ жение, соответственно 20 – 50 Гц и 166 – 400 В (рис. 8). Зарядное устройство аккумуля‑ торной батареи, насосы, компрес‑ сор, вентиляторы малой мощности подключены к каналу с фиксиро‑ ванной частотой, вентиляторы тя‑ говых двигателей, а также башен‑ ные охладители тяговых двигате‑ лей и тормозного резистора — к ка‑ налу переменной частоты. В случае возникновения неисправностей на любом из каналов питание всех вспомогательных приводов пере‑ водится на питание от исправного канала. Схема управления. Основой комплексной схемы управления яв‑ ляется базисная система MITRAC TCMS. Эта система и ее компонен‑ ты, успешно используемые в мире более 6 лет, дополнили схему регу‑ лирования MITRAC DCU2 тягового преобразователя. MITRAC TCMS не только выполняет функции широко применяемой в Европе системы об‑ работки данных MyBTfleet, исполь‑
можение, нередко при температуре «охлаждающего» воздуха в тонне‑ ле далеко за +100 °С. В связи с этим для каждого тягового двигателя требовалась установка отдельного вентилятора. Тяговые двигатели. В умень‑ шенном конструктивном простран‑ стве нужно было реализовать мощ‑ ный тяговый привод (рис. 7). Упо‑ мянутые ранее особые требования заказчика и условия эксплуатации определяли необходимость при‑ менения мощного и простого по конструкции тягового двигателя с опорно-осевой подвеской. Вспомогательные приводы. Система питания вспомогатель‑ ных приводов от преобразовате‑ ля собственных нужд применяет‑ ся на всех электровозах семейства TRAXX типов АС1 — АС3. Она яв‑ ляется эффективным источником электроснабжения, обеспечивает питание вспомогательных приво‑ дов локомотива по двум трехфаз‑ ным каналам. Один из них с линей‑ ным напряжением 400 В работает при фиксированной частоте 50 Гц,
Питание в депо 3×400 В, 50 Гц Инвертор с фиксированной частотой 3×400 В, 50 Гц
Трансформатор собственных нужд
Фильтр
М 3~
М 3~
М 3~
М 3~
Масляный насос трансформатора
М 3~
М 3~
Вентиляторы тягового преобразователя
Насос охлаждения тягового преобразователя Инвертор с регулированием частоты и напряжения 3×166...400 В, 20...50 Гц
М 3~
М 3~
Вентиляторы тормозных резисторов
Компрессор
Установка кондиционирования воздуха Трансформатор собственных нужд Фильтр
М 3~
М 3~
М 3~
М 3~
М 3~
Вентиляторы тормозных резисторов
Рис. 8. Схема питания вспомогательных приводов и устройств
М 3~
М 3~
М 3~
М 3~
М 3~
Вентиляторы Вентиляторы башенных тормозных охладителей резисторов
42 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6
Электровозы
зуемой для оптимальной организа‑ ции технического обслуживания парка подвижного состава, но так‑ же позволяет измерять расход энер‑ гии и отображать результаты изме‑ рений. Топология системы управле‑ ния показана на рис. 9.
Система дистанционного управления (RDP) Традиционная 27-проводная линия управления AAR Поездная информационная шина WTB WTB Шлюз
Основные положения и накопленный опыт Реализованные на электрово‑ зе системы не только соответству‑ ют предъявляемым в данной стране общим требованиям, но также об‑ ладают высокой степенью надеж‑ ности и имеют современные пара‑ метры. Для Bombardier как поставщика электровозов было обязательным соблюдение всех стандартов надеж‑ ности для электровозов серии 23Е, таких же как и для известных в Евро‑ пе электровозов семейства TRAXX: локомотивов IORE, работающих на рудовозных линиях в Швеции, элек‑ тровозов серии HXD3B, используе‑ мых в Китае для вождения тяжело‑ весных поездов, или локомотивов ALP в Северной Америке. Разработки выполнялись в хо‑ рошо зарекомендовавших себя кон‑ структорских бюро в Касселе, Цю‑
Дистанционная телеметрическая система
Локальная сеть
MVB Блок управления локомотивом
Локальная сеть
Дисплеи
Многофункциональная вагонная шина MVB
Мобильный ввод данных
Запоминающее устройство
Регулирование тяги
Регулирование торможения RDP
RDP
Модуль ввода/вывода данных
Рис. 9. Система управления электровоза 23Е
рихе, Вене и Хеннигсдорфе. В рабо‑ тах принимали участие проверен‑ ные поставщики комплектующих изделий, здесь используется опыт проектировщиков всего мира, а так‑ же собственные возможности ком‑ пании Bombardier для изготовления экспериментальных конструкций и проведения испытаний. Окружающая среда, условия технического обслуживания и со‑
держания требуют специальных решений для создания условий по техническому обслуживанию, в чем всегда могут оказать содействие об‑ ладающие накопленным за десяти‑ летия работы опытом специалисты компании Bombardier. Материалы компании Bombardier (www.bombardier.com); Elektrische Bahnen, 2015, № 1 – 2, S. 635 – 643.
ПОДПИСКА
«Железные дороги мира» В любом отделении связи (каталог «Пресса России»). Подписной индекс 87096 (на весь год) или 70306 (на полугодие). Вся информация о подписке в России и других странах на сайте журнала: www.zdmira.com
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2016, № 6 43