Электропоезд Е2 для Синкансен

 

По теме "Синкансен"

Cпециальные проекты

Реклама

Партнеры и спонсоры

Что еще?

Откуда пришли железные дороги

Перевод СИАМ статьи Japanese Railway Engineering, 1998, N 139, p. 22 - 27.
Линия Хокурику Синкансен проектировалась и строилась согласно Закону о строительстве железных дорог Синкансен. Она имеет тяжелый профиль с затяжными уклонами крутизной 30‰ и общей длиной 30 км на участке между Такасаки и Каруидзава. В системе электроснабжения на участке Каруидзава - Нагано производится переключение частоты 50/60 Гц.
Для работы на этой линии предназначены новые высокоскоростные электропоезда серии Е2, тяговые двигатели которых способны развивать высокую мощность в течение длительного времени. Поезда Е2 могут быть использованы также на линиях Тохоку и Акита Синкансен вместе с поездами серии Е3 или вместо них.
Электропоезд серии Е2 состоит из шести моторных и двух прицепных вагонов. Конструкционная скорость поезда 315 км/ч. Для обеспечения движения с высокой скоростью и преодоления крутых подъемов максимальная частота вращения тяговых двигателей составляет 6120 об/мин при передаточном отношении тягового редуктора 3,04. Ускорение при трогании на площадке достигает 0,45 м/с2. Расчетная установившаяся скорость на открытом пути на подъеме 3 ‰ равна 300 км/ч, в тоннеле на подъеме 30 ‰ - не ниже 170 км/ч.
Осевая нагрузка поезда не превышает 13 т при номинальном заполнении вагонов, благодаря чему воздействие нового поезда на путь при движении с высокой скоростью такое же, как поезда серии 200 линии Тохоку Синкансен. Кузова вагонов изготовлены из алюминиевых сплавов.
Ввиду различия частоты систем электроснабжения на разных участках линии, электрооборудование поезда приспособлено к работе при питании переменным током частотой 50 или 60 Гц. Соответственно автоматически переключаются на нужную частоту такие элементы оборудования, как приемники сигналов автоматической локомотивной сигнализации. Часть вспомогательного электрооборудования, например двигатели компрессоров или масляных насосов тяговых трансформаторов, работает на обеих частотах. Прочее вспомогательное оборудование получает питание от поездной сети переменного тока напряжением 440 В и частотой 60 Гц.
Поезд может трогаться с места на подъеме 30‰ при одном отключенном тяговом блоке. Служебным тормозом в обычном эксплуатационном режиме является рекуперативный, с помощью которого при движении на спуске 30‰ выдерживается скорость 210 км/ч. Если в режиме поддержания постоянной скорости на трех моторных вагонах из шести случится отказ рекуперативного тормоза, включается экстренное торможение, снижающее скорость до 110 км/ч. Пневматический тормоз поезда может обеспечить остановку поезда на спуске 30 ‰ с начальной скорости 210 км/ч.
Обтекаемая форма носовой части, уменьшенная высота и гладкая поверхность кузова обеспечивают низкий уровень шума и волн микродавления воздуха при входе поезда в тоннель, выходе из него и встрече двух поездов. Снижению аэродинамического шума способствуют также плавное изменение поперечного сечения кузова в переходе от носовой части к основной, отсутствие выступов и углублений у окон и дверей (в закрытом положении убирающихся внутрь заподлицо с боковыми стенками). На четвертом и шестом вагонах установлены токоприемники с прикрывающими нижнюю часть наклонными кожухами, конфигурация которых выбрана по результатам длительных испытаний. Высоковольтный кабель поездной электромагистрали проходит по всей длине поезда в полости между потолком и крышей. Соединения кабеля с токоприемниками и междувагонные выполнены скрытыми.
Длина головных вагонов поезда (по кузову) равна 25 450 мм, прицепных 24 500, общая 201 400, ширина кузова 3380, высота 3700 мм. Пассажировместимость вагонов в зависимости от класса и компоновки варьируется от 51 до 100 мест, общая составляет 630 мест.

Кузов и тяговый привод

При проектировании кузова особое внимание уделено максимальному его облегчению без снижения прочности и с обеспечением сопротивляемости изгибным колебаниям, снижающим уровень комфорта для пассажиров.

Поперечное сечение кузова традиционной конструкции
В вагонах опытных поездов применены два варианта конструкции. В одном из них сохранена традиционная для поездов Синкансен конструктивная схема (жесткая рама и собственно кузов из алюминиевого сплава) с некоторыми усовершенствованиями, в другом цельнонесущий кузов полностью выполнен из крупноразмерных полых экструдированных профилей из алюминиевого сплава в сочетании с обшивкой из листового алюминия.
Анализ вибраций кузова, выполненного по первому варианту, показал их зависимость от вертикальной жесткости пути. Амплитуда колебаний уменьшалась пропорционально увеличению изгибной жесткости конструкции. Снижение жесткости рессорного подвешивания тележек способствовало гашению колебаний и уменьшало их амплитуду, повышение поперечной жесткости - снижению деформаций изгиба пола кузова и в некоторой степени гашению вибрации боковых стенок и крыши.
Усовершенствования конструкции кузова, предпринятые на основе этих данных для повышения жесткости и сглаживания упругих колебаний, заключались в основном в увеличении толщины панелей наружной обшивки с 2,3 до 4,5 мм, внутренней с 2,3 до 3,0 мм и замене стоек боковых стенок на коробчатые.

Поперечное сечение кузова из крупноразмерных экструдированных профилей
При проектировании кузова по второму варианту исходили из необходимости, помимо облегчения, устранить ряд недостатков, присущих ранее применявшимся конструкциям. Разнообразие конструктивных элементов увеличивало трудоемкость сборки и повышало строительную стоимость вагонов. Применение шпатлевки для сглаживания поверхности кузова заметно увеличивало его массу. Существовали многочисленные акустические мостики, через которые шум передавался внутрь пассажирского салона. Собственная частота изгибных колебаний отдельных элементов конструкции в определенных условиях совпадала с частотой вынужденных колебаний, что приводило к возникновению резонанса.
По результатам изучения указанных факторов пришли к выводу, что оптимальным способом решения проблемы является максимально возможное увеличение размеров конструктивных элементов, изготавливаемых в виде полуфабрикатов с высокой степенью готовности к сборке. Это позволило уменьшить их разнообразие и общее число, сократить объем сварочных, монтажных и послесборочных отделочных работ. Применена схема двухслойной оболочки кузова с использованием пола в качестве элемента жесткости.

Фрагмент поперечного сечения кузова традиционной конструкции
Соединение внутреннего и наружного слоев оболочки выполнено с использованием диагонально установленных промежуточных крепежных элементов и рассчитано так, чтобы повысить изгибную и торсионную жесткость конструкции, особенно в зоне крыши. Двухслойная конструкция кузова придает ему бульшую прочность, кроме того, она обеспечивает оптимальное распределение напряжений от нагрузки и упрощает герметизацию. Вместе с тем в концевых частях кузова (у площадок) сохранена традиционная конструкция боковых стенок, поскольку она лучше приспособлена к установке раздвижных дверей.
В результате указанных мер вагоны поездов, принятых к серийной постройке, приобрели необходимые механические характеристики с повышением плавности хода и уровня комфорта, особенно в центральной части пассажирских салонов. Уровень шума снижен на 2 дБ(А). Следует отметить успешное применение метода имитационного анализа вибраций кузова на стадии проектирования, так как мощности ранее применявшегося расчетного аппарата в силу множественности подлежащих учету факторов было недостаточно.
В схеме преобразования энергии электропоезда Е2 использован трехфазный инвертор с регулируемыми напряжением и частотой на выходе, разработанный на базе инвертора с широтно-импульсной модуляцией на запираемых тиристорах и впервые примененный на экспериментальном поезде Star 21, а затем на поездах серии Е1, получивших название МАХ и состоящих из 12 двухэтажных вагонов.

Фрагмент поперечного сечения кузова новой конструкции
В промежуточном звене постоянного тока максимальное напряжение повышено до 2600 В для улучшения эффективности, уменьшения размеров и массы. Система была проверена и испытана на опытном поезде, после чего ее усовершенствовали в целях улучшения сцепных свойств, особенно в диапазоне высоких скоростей, устранения высших гармоник и т. д.
К рассмотрению были предложены три варианта системы управления тяговым приводом, имеющие некоторые различия в компоновке и элементной базе: А - система опытного поезда, В - трехуровневая, С - векторная. Все они оказались приемлемыми по предъявляемым требованиям, и решение об окончательном выборе будет принято позже.

Схема

Каждые два моторных вагона образуют один из трех идентичных тяговых блоков поезда (в данном случае вагоны обозначены как М1 и М2). Силовая цепь включает токоприемник, снимающий с контактной сети переменный ток напряжением 25 кВ, частотой 50 или 60 Гц, и главный трансформатор, от вторичной обмотки которого получает питание напряжением 1100 В преобразовательный агрегат, состоящий из двух выпрямителей, вырабатывающих постоянный ток напряжением 2150 - 2600 В, и инвертора, преобразующего постоянный ток в трехфазный переменный. По варианту А в плечах выпрямителей применены запираемые тиристоры (GTO) с фазовым регулированием для поддержания коэффициента мощности на уровне, близком к 1, и диоды, соединенные встречно-параллельно. Два выпрямителя функционируют со сдвигом по фазе на угол 90° относительно вторичной обмотки трансформатора для подавления высших гармоник сети питания. Между выпрямителями и инвертором включено промежуточное звено постоянного напряжения для уменьшения пульсаций тока. При рекуперативном торможении функции преобразователя меняются на обратные, и постоянный ток 2600 В превращается в переменный 1100 В, 50/60 Гц для питания главного трансформатора. Выпрямительная часть агрегата установлена в вагоне М1, инверторная в вагоне М2. Эта аппаратура регулирует мощность тяговых двигателей в тяговом и тормозном режимах, а также выполняет защитные функции. Тяговые двигатели - трехфазные асинхронные с короткозамкнутым ротором, на котором смонтирован датчик частоты вращения, передающий сигналы обратной связи в систему управления преобразовательным агрегатом.
Боксование и проскальзывание колесных пар обнаруживаются устройством контроля частоты вращения тяговых двигателей. Восстановление сцепления достигается регулированием частоты скольжения для изменения крутящего момента на валу тяговых двигателей. Поддержание скорости поезда на заданном уровне в режимах тяги и торможения осуществляется автоматически. Поезд оснащен бортовой системой диагностики, постоянно контролирующей состояние силовой цепи, работу аппаратуры и выдающей соответствующие сообщения машинисту.
Отличие варианта В заключается в том, что в преобразовательном агрегате применены так называемые интеллектуальные силовые модули (IPM) с трехуровневой модуляцией. Выпрямительно-инверторный агрегат имеет четыре модуля IPM и два фиксирующих диода на каждую фазу. Кроме того, система противобоксовочной/противоюзной защиты выполнена согласно теории нечетких множеств.
Вариант С отличается тем, что запираемые тиристоры с обратной проводимостью применены не только в инверторе, но и в выпрямителях. Кроме того, использован так называемый векторный принцип управления крутящим моментом тяговых двигателей и крипом колес при боксовании и проскальзывании. Здесь при регулировании момента ток, создающий магнитный поток, эквивалентен току возбуждения тягового двигателя постоянного тока и регулируется аналогичным образом. Регулирование крипа осуществляется с обратной связью по скорости, причем в качестве исходных параметров используются усредненная частота вращения немоторных колесных пар и оптимальная величина крипа. Для этого одна ось каждого прицепного вагона (с кабиной управления), не подверженная боксованию в режиме тяги и проскальзыванию в режиме рекуперативного торможения, оснащена датчиком частоты вращения, по показаниям которого определяется фактическая скорость поезда, значение которой вводится в систему управления преобразовательным агрегатом.
Принципиальные схемы указанных вариантов:

Варианты схемы управления тяговым приводом электропоезда Е2

Объект
Вариант
А В С
Схема 8144-5.gif (2055 bytes)
Число уровней 
регулирования
2 3 2
Элементная база Выпрямитель GTO IPM GTO 
с обратной проводимостью
Инвертор GTO 
с обратной проводимостью

Рекомендовать эту статью

Термины, пояснения и исторические справки

Новости из интернета

  

Места на карте, упоминающиеся на сайте 1520mm.ru

Будьте в курсе наших новостей


© 2002—2017 Nicos
Страница сгенерирована за 0,0047 сек.
Rambler's Top100 Яндекс.Метрика