ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ - ГИБРИДНЫЕ ЛОКОМОТИВЫ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Решения задач по снижению себестоимости перевозок, повышению их эффективности и уменьшению негативного воздействия ж.д. транспорта на окружающую среду очень важно для железных дорог России.

С этой целью ведется поиск путей использования более дешевого и менее дефицитного топлива, разработка энергетических систем нового поколения способных сократить потребление традиционных видов топлива и снизить вредные выбросы в экологическую среду. Перспективным направлением в этой области можно выделить разработку и внедрение в эксплуатацию гибридных локомотивов.

Существующие железнодорожные локомотивы в типичном варианте снабжаются энергией дизельными электрическими системами. При таких системах дизельный двигатель запускает электрический генератор, чтобы произвести электрическую энергию. От полученной электрической энергии питаются тяговые электродвигатели, приводящие в движение ведущие колеса локомотива.

В области разработок новых видов подвижного состава возрастает интерес к созданию модифицированного локомотива, в котором электрическая энергия подается через устройство накопления, такое как аккумуляторная батарея. Батарея соединена для зарядки с генератором, по необходимости использующим топливный двигатель, такой как дизельный двигатель, газовая турбина, двигатель на сжиженном природном газе, бензиновый двигатель или даже водородный двигатель внутреннего сгорания. Такой подход рассматривают, как «гибридное» транспортное средство. Гибридные транспортные средства имеют преимущество улучшенной эффективности использования топлива и пониженного загрязнения.

Структуру магистрального гибридного локомотива (Рисунок 1) можно представить в виде традиционного тягового привода, в котором колеса КП приводятся в движение электрическими тяговыми двигателями ТЭД.

Рисунок 1. Структурная схема гибридного локомотива:

КПЛ – бортовой контроллер локомотива; ДВН – двигатель внутреннего сгорания; ГПТ – генератор переменного тока; ВУ – выпрямительная установка; РН – регулятор напряжения; АБ – тяговая аккумуляторная батарея; ВК – воздушный компрессор; ВТ – вентилятор тяговых двигателей; АЗУ – устройство зарядки АБ; ИНВ – инвертор; АБС – аккумуляторная батарея собственных нужд; КТМ – контроллер тяговой мощности

Электрическая мощность для тяговых двигателей подается аккумуляторной батареей АБ и управляется контроллером КТМ тяговой мощности, который может использовать широтно-импульсную модуляцию, чтобы регулировать мощность, в зависимости от режима и направления движения. Тяговая аккумуляторная батарея АБ заряжается генератором переменного тока ГПТ (совмещенный с выпрямительной установкой ВУ и регулятором напряжения РН), приводом которого является двигатель внутреннего сгорания ДВН (газовая микротурбина; дизельный агрегат и др). Управление приводом генератора осуществляется бортовым контроллером КПЛ на программируемой логике. Контроллер  наблюдает за состоянием заряда батареи, окружающей температурой и имеет часы/календарь для компенсации заряда батареи. Когда батарея достигает высокого состояния заряда, привод генератора прекращает работу. Наоборот, когда заряд батареи АБ падает ниже определенного уровня, привод генератора запускается. Высокое состояние заряда будет происходить только для поддержания компенсации заряда батареи. Таким образом, привод ДВН калибруется так, чтобы работать под постоянной нагрузкой при максимальной выходной мощности в течение длительного периода времени. Вспомогательные нагрузки выдаются из источника заряда батареи при номинальных 600 В постоянного тока. Постоянный ток преобразуется инвертором ИНВ в 480 В переменного тока, от которого запускается воздушный компрессор ВК локомотива, нагнетательный вентилятор ВТ тягового двигателя и устройство АЗУ заряда батареи до 75 В, который используется, чтобы зарядить батарею собственных нужд АБС напряжением 64 В для органов управления электропитанием и освещения.

Для маневровых локомотивов, не требуется долгосрочной постоянной мощности. Поэтому кратковременные требования мощности разрешают производить постоянный перезаряд батареи относительно небольшим генератором. Соотношение емкости аккумуляторной батареи АБ к источнику ГПТ энергии заряда важно, чтобы минимизировать стоимость, потребление топлива и выделение загрязнений топливным приводом ДВГ. Соотношение накопления энергии в кВтч с мощностью подзаряда в кВт может выражаться как количество часов. Оптимальная производительность системы устанавливается такой, чтобы иметь 8-часовой период тока заряда или длиннее, представляющим максимум в 125 кВт мощности подзаряда на каждые 1000 кВтч накопления батареи.

В настоящее время в России и некоторых странах СНГ, ведутся разработки и испытания унифицированных гибридных силовых установок предназначенных для использования на железнодорожном транспорте.

Унифицированные гибридные тепловозы или электровозы позволяют эффективно эксплуатировать железнодорожный транспорт, как на электрифицированных железнодорожных путях, так и на не электрифицированных. Это стало возможным с помощью общей унифицированной двигательной цепи, которая способна работать как от электрических, так и от дизельных источников питания.

Гибридные локомотивы с унифицированной двигательной цепью (Рисунок 2) оснащены дизельными двигателями 1, а также токоприемниками 2.

Рисунок 2. Компоненты унифицированной гибридной системы:

1 – дизельный двигатель; 2 – токоприемник; 3 – тяговый преобразователь; 4 –накопитель энергии; 5 – тяговые двигатели

Тяговый преобразователь 3 содержит силовые полупроводниковые приборы с возможностью поддержки как дизель- так и электротяги. Преобразователь с переменным током так же доступен, при этом линия сконфигурирована таким образом, чтобы обеспечить стабильное напряжение в цепи постоянного тока. Когда питание постоянного тока доступно из контактной сети, оно подается непосредственно в промежуточный контур. Когда используется электрический стояночный тормоз - генерируемая тяговым двигателем мощность, передается обратно в сеть. При использовании дизельного двигателя 1, преобразователь линии сконфигурирован как 3-фазный выпрямитель. Если состав замедляется, избыток мощности тягового двигателя 5 используется для вспомогательных операций и позволяет использовать дизельный двигатель в режиме холостого хода. Любая оставшаяся избыточная мощность может либо рассеивается или использоваться для энергосбережения в накопителе энергии 4.

Показатели работы эксплуатируемых и опытных гибридных локомотивов  демонстрируют ряд технических и экономических характеристик:

- сокращение расхода топлива до 40 % (локомотивы с несколькими дизельными двигателями могут работать отдельно, чтобы уменьшить потребление, а при использовании в сочетании с более короткими маршрутами, затраты на топливо сводятся к минимуму);

- снижение загрязнения воздуха до 80 % (дизельные двигатели работают только при необходимости и выбросы уменьшаются соответственно, независимо от типа двигателя);

- до 40 % снижается уровень шума на вокзалах и вдоль железнодорожных путей.

- возможность более экономичного и гибкого распределения и использование составов (подвижной состав может использоваться на смешанной по питанию железнодорожной сети);

- сокращение времени в пути до 20 % за счет сокращения времени на посадку и высадку пассажиров и обмена локомотивов (в электрическом режиме локомотив значительно более мощный, чем в дизельном режиме, что позволяет сократить время в пути и расширить потенциал подвижного состава);

- в конструкции гибридных локомотивов применена схема, с помощью которой гибридные установки позволяют проводить мгновенное переключение от разных источников питания либо на ходу или во время посадки пассажиров на остановках;

- меньшее количество компонентов системы тяги и аппаратной части локомотива повышает его надежность, снижает вес, сокращая потребление энергии и стоимость подвижного состава;

- независимо от наличия электрифицированной сети, операторы перевозок, в состоянии решать проблемы предоставления новых прямых маршрутов, и уделять больше внимания на оптимизации расписания движения поездов.

- повышение эффективности логистики (гибридный локомотив это быстрый и надежный транспорт, способный доехать даже в самые отдаленные пункты назначения)

Двигательная цепь унифицированного гибридного локомотива выполняет несколько функций, таких как питание от переменного или постоянного тока, преобразования энергии и восстановления заряда на электрифицированных перегонах. Используя новейшие экологически чистые технологии, силовые полупроводниковые приборы позволяют избавиться от зависимости дизельных машин, в то же время генератор также устраняет необходимость в отдельном стартере. В тепловозах с двумя дизельными двигателями, интеллектуальная электроника может активировать один или оба двигателя, в зависимости от требуемой мощности.

Гибридные решения идеально подходят для тех регионов, где в настоящее время мало или нет электрификации, так же они подходят для случаев, где проекты по электрификации реализуются или планируются. С гибридной силовой установкой в локомотивах, железнодорожные операторы способны предложить эффективные и экологически выгодные услуги по транспортировке.

Список литературы:

1. Локомотивные энергетические установки [Текст]: учеб./ под ред. А.И. Володина. – М.: Желдориздат, 2002. – 718с.
2. Локомотив [Текст]: ежемесяч. производ. и научно-популярн. Журн./ учредитель ОАО «РЖД». – 2017.
3. Техника железных дорог [Текст]: журн./ при поддержк. ОАО «Союз машиностроителей России. – 2015.