УЛУЧШЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА В РОССИИ

(IMPROVEMENT OF ELECTRIC ROLLING STOCK IN RUSSIA)

Egor Dzyuba

student, Department of Energy, Rostov University of Railway Transport,

 Russia, Rostov-on-Don

Oksana Simonova

scientific supervisor, Associate Professor, PhD in Philosophy, Rostov University of Railway Transport,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

Данная работа ставит своей целью теоретическое обобщение материала по теме улучшения электроподвижного состава; Задачи написания работы - провести тщательный анализ научной литературы по выбранной тематике как отечественных, так и зарубежных источников. Создать свою классификацию уже существующих проблем электроподвижного состава, предположить возможные проблемы в будущем и предложить их решение.

ABSTRACT

This work aims to provide a theoretical generalization of the material on the topic of improving electric rolling stock; The objectives of writing the work are to conduct a thorough analysis of scientific literature on the selected topic, both domestic and foreign sources. Create your own classification of existing problems of electric rolling stock, suggest possible problems in the future and propose their solution.

Ключевые слова: улучшение электроподвижного состава; оптимизация ЭПС, модернизация.

Keywords: improving electric rolling stock; optimization of EPS, modernization.

Железнодорожный транспорт обладает многими преимуществами по сравнению с другими видами транспорта, такими как автомобильный, морской, речной и авиатранспорт. Он выделяется своей надежностью, стабильностью и экономичностью и относительной экологичностью. За время своего существования поезда постоянно улучшались, а вместе с ними и железная дорога в целом. Так, почти за 200 лет развития железнодорожного транспорта, удалось достичь колоссальных показателей грузоперевозок по всему миру.

Такое распространение этого вида транспорта доказывает его востребованность и надежность. Успехи современной науки и техники в области создания новых силовых полупроводниковых приборов, быстродействующих микропроцессоров, новых конструкционных и изоляционных материалов предопределяют интенсивный рост технического уровня, улучшения характеристик и удельных технико-экономических параметров магистральных электровозов постоянного и переменного тока.

В России железнодорожный транспорт сохраняет лидирующие позиции в грузоперевозках, обеспечивая около 45% всего грузооборота страны. В пассажирских перевозках его доля сократилась до ~25–30% из-за конкуренции с авиацией и автомобильным транспортом. Экономическая эффективность железнодорожного транспорта остается на недостаточно высоком уровне. Благодаря работе Уразгильдеевой К.А. под руководством Симоновой О.Б. [7], можно утверждать, что одной из причин является неэффективное использование ресурсов, включая электроэнергию и топливо.

Что касается состояния локомотивного парка, то в рамках программы модернизации до 2025 года ОАО «РЖД» активно обновляет технику.

• Доля пассажирских электровозов постоянного тока с просроченным сроком службы снижена до 12–15%;
• Для электровозов переменного тока этот показатель составляет менее 8%;
• Пассажирские тепловозы с истекшим ресурсом практически выведены из эксплуатации — их доля не превышает 3%.

Подвижной состав железных дорог во многом устарел не только физически, но и морально. Возрастают расходы на содержание и ремонт эксплуатируемого парка. В электровозостроении намечен целый ряд мер по улучшению технико-экономических показателей электроподвижного состава.

Из всех направлений улучшения ЭПС можно выделить:

• Внедрение систем плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях.
• Развитие систем автоматизации управления электроподвижным составом.
• Использование бесколлекторных электроприводов.

Внедрение систем плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях

Для улучшения электротяговой системы (ЭПС) за счёт внедрения систем плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях можно использовать следующие решения:

1. Применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП)

Использование IGBT/SiC-транзисторов в инверторах для генерации синусоидального напряжения с переменной частотой и амплитудой.

Обеспечивает плавный пуск и остановку двигателя, снижение механических нагрузок на узлы, повышение КПД за счёт оптимизации режимов работы (например, снижение потерь в обмотках при частичной нагрузке).

2. Интеллектуальные системы управления с обратной связью

Применение продвинутых датчиков тока, напряжения, температуры и скорости.

Адаптивные ШИМ-регуляторы с машинным обучением для прогнозирования нагрузок.

3. Интеграция накопителей энергии (суперконденсаторы, Li-ion)

Накопители компенсируют пиковые нагрузки и сохраняют рекуперированную энергию, обеспечивают снижение пикового потребления от контактной сети. Также они позволяют использовать плавное регулирование напряжения при колебаниях нагрузки.

4. Модернизация систем охлаждения

Для увеличения допустимой мощности и стабильности работы системы при длительных нагрузках имеет смысл внедрение жидкостного охлаждения инверторов и двигателей.

Развитие систем автоматизации управления электроподвижным составом.

Автоматизация управления электроподвижным составом (ЭПС) — ключевой тренд в развитии железнодорожного транспорта. Вот основные направления для модернизации:

1. Внедрение систем искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения

• Прогнозная аналитика:
• Использование ИИ для предсказания отказов оборудования (например, износ токоприёмников, состояние аккумуляторов) на основе данных с датчиков IoT.
• Оптимизация маршрутов:
• Алгоритмы машинного обучения для расчёта энергоэффективных траекторий движения с учётом рельефа, графика и погодных условий.

2. Полная автоматизация управления (ATO — Automatic Train Operation)

• Беспилотное вождение:

Внедрение ATO 4-го уровня (полная автономность без участия машиниста).

• Синхронизация с инфраструктурой:

Интеграция с системами управления движением (ETCS, ERTMS) для минимизации интервалов между поездами и предотвращения столкновений.

3. Цифровые двойники и цифровизация процессов

• Цифровые двойники составов:

Создание виртуальных копий ЭПС для тестирования сценариев, оптимизации нагрузки и обучения нейросетей.

Пример: Платформа Siemens Digital Twin.

• Централизованные диспетчерские системы:

Управление всем парком ЭПС через единый центр, с интеграцией данных о местоположении, энергопотреблении и техническом состоянии.

4. Повышение энергоэффективности:

• Рекуперативное торможение:

Усовершенствованные системы, возвращающие до 30% энергии в сеть (как в электропоездах Ласточка).

• Умное энергопотребление:

Динамическое распределение нагрузки между вагонами и оптимизация работы климатических систем через IoT-сенсоры.

Автоматизация ЭПС повысит безопасность, снизит эксплуатационные расходы и увеличит пропускную способность железных дорог.

Использование бесколлекторных электроприводов

Внедрение бесколлекторных электроприводов (BLDC или PMSM) в ЭПС открывает новые возможности для повышения эффективности, надёжности и экологичности транспорта. Вот ключевые направления улучшений:

Повышение энергоэффективности

Высокий КПД: Бесколлекторные двигатели исключают потери на трение щёток, характерные для коллекторных агрегатов. Это снижает энергопотребление на 15–25%, особенно заметно в городском транспорте (трамваи, электробусы) и магистральных локомотивах.

Рекуперация энергии: Возможность преобразовывать кинетическую энергию торможения в электрическую с возвратом в сеть или аккумулятор. Например, в метро это позволяет экономить до 30% энергии.

Увеличение надёжности и снижение затрат на обслуживание

Отказ от щёток: Исключены изнашивающиеся компоненты, что снижает частоту ремонтов. Срок службы двигателей возрастает в 1,5–3 раза.

Меньше вибраций и шума: Бесщеточные системы работают тише (уровень шума ≤ 65 дБ), что критично для пассажирского транспорта.

Отказ от смазочных материалов: Бесколлекторные системы не требуют графитовой смазки, что снижает вредные выбросы при обслуживании.

Совместимость с ВИЭ: Возможность работы от возобновляемых источников (солнечные панели, ветрогенераторы) в сочетании с накопителями энергии.

Улучшение динамики и управляемости

Точное управление моментом: Алгоритмы векторного управления (FOC) позволяют плавно регулировать ускорение и торможение, повышая комфорт пассажиров.

Адаптация к нагрузкам: Двигатели автоматически подстраиваются под переменные условия (подъёмы, кривые пути) без потери КПД.

Снижение массы и габаритов

Компактность: Отсутствие щёток и ротора с обмотками уменьшает размеры двигателя. Это освобождает пространство для аккумуляторов или пассажиров.

Интеграция с инверторами: Использование SiC- или GaN-транзисторов в управляющей электронике повышает удельную мощность на 30–50%.

Бесколлекторные электроприводы превращают ЭПС в интеллектуальные, экономичные и экологичные системы. Их внедрение критично для выполнения целей декарбонизации транспорта и роста конкурентоспособности железных дорог.

Заключение

Несмотря на выдающиеся достижения в совершенствовании железнодорожного транспорта, он всё еще далек от идеала. Данный вид транспорта является одним из ключевых факторов экономического развития и пассажирооборота страны. В будущем электроподвижной состав будет быстрее, экономичнее и дешевле, но для этого ему придется преодолеть долгий путь совершенствования и претерпеть множество изменений.

Список литературы:

1. Плаксин А. В. Пути повышения энергетической эффективности пассажирского электроподвижного состава, обслуживающие равнинные участки железных дорог // Россия. - 2017. -с. 3.
2. Андреющенко А. А. Показатели энергетической эффективности пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного ток // Россия. - 2015. - с. 36.
3. Гребенников Н. В., Талахадзе Т. З. Концепция повышения энергетической эффективности тепловозной тяги // Россия. - 2015. - с. 36.
4. Рябченок Н. Л. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВАРИАТОРЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ ТЯГОВЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ И АСИНХРОННЫХ МАШИН ЭПС // Россия. - 2010. - с. 50. [Электронный ресурс]: eLIBRARY. URL: Электрические полупроводниковые вариаторы для управления мощностью тяговых ЭПС (доступ 17.04.2025)
5. Шайхиев А.Р. УЛУЧШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА // Россия. - 2004. - с. 210. [Электронный ресурс]: eLIBRARY. URL: Улучшение тяговых свойств электроподвижного состава путем снижения пульсаций электромагнитного момента (доступ 20.04.2025)
6. Зарифьян А.А., Колпахчьян П.Г., Непомнящая О.В. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА // Россия. - 2015. - с. 112. [Электронный ресурс]: eLIBRARY. URL: Модернизация электровозов постоянного тока  (доступ 30.04.2025)
7. Urazgildeeva K.A., scientific supervisor: Simonova O.B. ON THE ISSUE OF THE ECONOMICS OF FREIGHT TRANSPORTATION BY RAILWAY TRANSPORT IN THE TERRITORY OF THE RUSSIAN FEDERATION // Russia - 2024. - с. 105-108. [Electronic resource]: eLIBRARY. URL: On the issue of the economics of freight transportation by railway transport in the territory of the Russian Federation (accessed 10.05.2025)