Промышленный электровоз

Реалии современности таковы, что крупные комбинаты, фабрики и заводы в России для решения внутренних задач транспортировки используют электровозы, доставшиеся в наследство от СССР. Еще на рубеже 60–70-х гг. были налажены поставки в Страну Советов электровозов постоянного тока, выпускаемых в ГДР на локомотивостроительном электротехническом заводе Ганс Баймлер (Lokomotivbau Elektrotechnische Werke).

За период с 1957 по 1967 г. в СССР было закуплено 230 машин ЕЛ-2, чуть позже, с 1981 по 1986 г., парк был пополнен еще на 265 единиц слегка модернизированной моделью ЕЛ-21. Данные электровозы зарекомендовали себя с положительной стороны в плане производительности и надежности. По сути, долгое время они являлись основным транспортом отечественных предприятий, остаются таковыми и сегодня.

Однако после объединения ГДР и ФРГ завод Lokomotivbau Elektrotechnische Werke был признан нерентабельным и прекратил свою деятельность. Существующий сегодня парк российских промэлектровозов достигает 80% износа. На абсолютном большинстве предприятий не подлежащие восстановлению машины становятся «донорами» для тех, которые еще находятся на ходу, поскольку комплектующие также производил обанкротившийся немецкий завод.

В России не существует предприятия, способного предложить достойную замену стареющим ЕЛ-2 и ЕЛ-21. После распада СССР часть вагоностроительных заводов осталась за рубежом. Единственной площадкой для создания новой модели стал Новочеркасский вагоностроительный завод. Начиная с 2000 г. группой металлургических гигантов, в которую вошли Магнитогорский металлургическй комбинат и ОАО «Северсталь», финансировался проект по разработке и созданию принципиально новой модели электровоза с асинхронным типом двигателя (НПМ-1, НПМ-2). Первый проект в серийное производство выпущен не был. Около 15 единиц НПМ-2 было закуплено Магнитогорским металлургическим комбинатом. После этого финансирование проекта было приостановлено. При использовании НПМ-2 на производстве был выявлен ряд существенных недостатков, связанных, в основном, со сложностью управления асинхронным двигателем.

На сегодня другим решением проблемы отечественные компании видят использование на производстве дизельного транспорта. Однако здесь на первый план выходит дороговизна топлива. В конструкции таких тепловозов дизельные двигатели используются для генерации электроэнергии, за счет которой машина и приводится в движение.

В 2008 г. Магнитогорский металлургический комбинат сформировал техническое задание для НПО «Константа» по проекту модернизации электровозов ЕЛ-2 и ЕЛ-21 (рис. 1). Грянувший спустя несколько месяцев мировой финансовый кризис не позволил реализовать данный проект фактически, однако на бумаге соответствующие решения были подготовлены в полном объеме.

Рис. 1. Электровоз ЭЛ21

В частности, согласно техническому заданию, стояла задача разработки и изготовления преобразователя управления тяговым электродвигателем, а также преобразователя собственных нужд. Схематично принцип работы преобразователя собственных нужд выглядит следующим образом (рис. 2). Напряжение из контактной сети (1000–2100 В) через сглаживающий дроссель, конденсатор, блок IGBT-модулей и понижающий трансформатор преобразуется в 48 В, выпрямляется и выдается на питание бортовой сети и вторым каналом идет на подзаряд АКБ. Вся работа инвертора обслуживается и управляется собственным микроконтроллером. Преимуществом данного решения перед мотор-генератором, который штатно работает на электровозах сегодня, являются сразу несколько его характеристик.

Рис. 2. Схема работы преобразователя

Во-первых, это широчайший диапазон входного напряжения. Во-вторых, использование современной электронной базы позволяет наиболее точно контролировать выдаваемое напряжение в бортовую сеть. В-третьих, данная система обеспечивает вариативность заряда АКБ в зависимости от температуры окружающей среды. Таким образом, не допускаются недозаряд или перезаряд АКБ, что существенно увеличивает ее срок службы.

Кроме того, магнитогорскими инженерами еще лет десять назад была начата разработка уникального преобразователя управления тяговым электродвигателем трамвая, сконструированного с учетом последних достижений силовой электроники. За прошедшие годы преобразователь КТТЭ 700/600 получил несколько патентов, прошел все необходимые испытания и был установлен на несколько трамваев в разных городах. В процессе эксплуатации он подтвердил обозначенные параметры, зарекомендовал себя стабильной работой. Одно из главных достижений магнитогорских конструкторов — прямая экономия 40% электроэнергии, достигаемая при замене прежней контакторной системы управления (разработка 1960-х гг.) на инновационную электронную.

Стало понятно, что модернизация электровозов с использованием современных достижений силовой электроники — единственно верный и экономически выгодный способ справиться с катастрофическим устареванием транспортного парка.

На рис. 3 схематично представлен преобразователь управления тяговым электродвигателем электровоза КТТЭ 1800/2000, созданного на базе IGBT-модулей, управляемых микропроцессором. Напряжение из контактной сети (рабочий диапазон 1000–2100 В) поступает на тяговый преобразователь. В зависимости от положения ручки контроллера машиниста микропроцессор выдает дозированное напряжение на обмотки возбуждения и якорь двигателя, обеспечивая плавность хода и торможения. Вся текущая информация о работе КТТЭ 1800/2000 отображается на информационном дисплее машиниста. Главными преимуществами такого преобразователя являются надежность и экономичность. Кроме того, его установка позволяет исключить из прежней схемы большое количество устаревшего и, в принципе, не нужного оборудования, что существенно сокращает затраты на обслуживание и ремонт промышленного электровоза.

Рис. 3. Схема преобразователя управления тяговым электродвигателем

Разработанный магнитогорскими конструкторами преобразователь малообслуживаемый, его установка не требует переобучения машиниста. При этом в конструкции машины остается коллекторный электродвигатель, гораздо более надежный в транспортном исполнении, нежели асинхронный. Российские предприятия обладают ремонтными базами и необходимым запасом комплектующих для коллекторных двигателей, что автоматически снижает затраты на их содержание.

В проекте, подготовленном для ОАО «ММК», группой разработчиков были также представлены инновационные системы, которые должны сделать логистику внутри предприятия еще более удобной и коммерчески выгодной. Так, построенный преобразователь решает проблему долгого маневрирования электровоза. Дело в том, что контакторная схема управления двигателем, при которой из сети поступало избыточное количество тока, не позволяла машине двигаться на малой скорости долгое время. Электронный преобразователь получает ровно столько электроэнергии, сколько необходимо для начала движения и поддержания его минимальной скорости. При этом двигаться с заданной скоростью электровоз может сколь угодно долго без ущерба для двигателя и остальных систем.

В межсезонье использование промышленного электровоза ранее осложнялось погодными условиями. Резкий старт на обледенелом или занесенном снегом покрытии приводил к пробуксовке, вследствие чего приходилось сокращать количество прицепных вагонов. Современная электроника позволяет внедрить системы «антибукс» и «антиюз», что существенно повышает безопасность и эксплуатационные качества электровоза.

С 2008 г. достижения силовой электроники шагнули далеко вперед, командой проекта подготовлено еще одно новое техническое решение. Использование продукции отечественной компании «Элтон» позволит реализовать в конструкции электоровоза систему самохода — движения состава без питания от контактной сети.

Таким образом, модернизация промышленных электровозов сегодня — единственная доступная во всех отношениях мера, призванная исправить сложившуюся в России ситуацию. Помимо того, что при относительно небольших инвестициях она дает возможность существенно продлить жизнь уже построенным электровозам, ее внедрение на производстве может значительно упростить процесс создания новой надежной и современной российской модели.