Classification of high-speed transport systems

Full Text

Введение

Увеличение скоростей движения поездов традиционного типа с колесным приводом еще не исчерпало своих возможностей. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации высокоскоростных поездов на железных дорогах Франции, ФРГ, Испании, Японии и Китая. В России также ведутся работы по созданию высокоскоростных поездов для пассажирских перевозок на наиболее напряженных направлениях (Москва – Санкт-Петербург, Москва – Юг, Москва – Нижний Новгород и др.) [1].

Цель

Авторами настоящей работы ставится цель установления удобной для дальнейшего практического использования классификации высокоскоростных транспортных систем. Конечно, ранее уже предлагались варианты классификации, например в [2, 3]. Методологией предлагаемой классификации служит сопоставление общих черт и различий разнообразных существующих или предложенных систем высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ), их группировка по характерным признакам. Практическую значимость работе придает открывающаяся на основании предложенной классификации возможность прогнозирования перспективных направлений исследований, в том числе, основываясь на разработках авторов. Классификация может быть полезна также для не столь высокоскоростных перспективных разработок в области городского электрифицированного транспорта [4].

Результаты

Предполагается, что новые пассажирские поезда будут курсировать со скоростями 150–250 км/ч. Электровозы для высокоскоростного движения оборудуются тяговым электроприводом переменного тока. Для повышения безопасности движения высокоскоростных поездов их локомотивы и вагоны оборудуются вихретоковыми тормозами, позволяющими сократить длину тормозного пути и сделать процесс торможения более плавным. В ряде случаев предлагается оборудовать локомотивы и вагоны индукторами линейных асинхронных двигателей (ЛАД), способными выполнять несколько функций: выступать в качестве дополнительных тяговых двигателей, взаимодействующих непосредственно с рельсами, работать в качестве вихретоковых или электромагнитных рельсовых тормозов; использоваться в качестве догружателей. Применение индукторов линейных асинхронных двигателей позволит сделать работу высокоскоростных поездов еще более безопасной и эффективной. Предлагается следующая классификация колесных высокоскоростных транспортных систем (рис.1).

Локомотивы колесных высокоскоростных транспортных систем оборудуются тяговым электроприводом переменного тока с асинхронными, синхронными или индукторными электродвигателями. В настоящее время наиболее перспективным для высокоскоростных поездов считается асинхронный тяговый частотно-регулируемый электропривод, который сравнительно долгое время используется на железных дорогах ФРГ, Франции, Испании и Японии. Предлагается снабжать локомотивы и вагоны высокоскоростных поездов дополнительными тяговыми и тормозными устройствами, способными повысить эффективность и безопасность их работы. Дополнительные устройства – это вихретоковые рельсовые тормоза, ЭМРТ и индукторы ЛАД (рис.1). При определенных условиях ЭМРТ способен выполнять функции вихретокового тормоза. Индуктор линейного асинхронного двигателя среди всех дополнительных тяговых и тормозных устройств является наиболее многофункциональным. Индуктор ЛАД способен работать как дополнительный тяговый электродвигатель, как вихретоковый и электромагнитный рельсовый тормоз и как догружатель. При необходимости индуктор ЛАД можно использовать и в качестве стояночного тормоза.

Классификация систем ВСНТ с магнитным подвесом и тяговым индуктором ЛАД, используемым в качестве путевой структуры, представлена на рис.2.

Система ВСНТ (рис.2) содержит путевую структуру, состоящую из индукторов ЛАД, а вторичный элемент ЛАД располагается на транспортных экипажах.

 

Рис. 1. Классификация высокоскоростных поездов с колесным приводом

 

Индукторы ЛАД могут иметь различную конструкцию и выполняются с продольным, поперечным или продольно-поперечным магнитным потоком. Участки путевой структуры системы ВСНТ могут формироваться из одинаковых или различных по конструкции модулей индукторов ЛАД (рис. 2). Различаться отдельные модули ЛАД могут величиной полюсного деления, числом полюсов, типом обмотки, конструкцией магнитной системы. На ряде участков перегона между станциями могут устанавливаться индукторы ЛАД, обеспечивающие автоматическую поперечную самостабилизацию экипажа на магнитной подвеске относительно путевой структуры (рис. 2) [5]. Вторичный элемент (ВЭ) тягового ЛАД устанавливается на экипаже ВСНТ и может быть выполнен в виде электропроводящей шины, сечение и активное сопротивление которой одинаково по всей ее длине и ширине. Как вариант ВЭ может изготавливаться из электропроводящей шины, сечение и активное сопротивление которой неодинаково по ее ширине. В этом случае по краям шина имеет меньшее сечение или ее крайние участки могут быть изготовлены из материала с меньшей электрической проводимостью и обеспечивают увеличение усилий поперечной самостабилизации подвешенного в магнитном поле экипажа ВСНТ и безопасность его движения. Значительного увеличения тяговых усилий ЛАД можно добиться при использовании короткозамкнутой обмотки на вторичном элементе (рис. 2). В случае выполнения короткозамкнутой обмотки вторичного элемента с регулируемым сопротивлением можно увеличить усилия при трогании экипажа ВСНТ с места, повышать скорость экипажа при его разгоне и снижать ее при приближении к следующей станции. Такая конструкция короткозамкнутой обмотки позволяет регулировать скорость движения экипажа ВСНТ с магнитным подвешиванием экипажа просто и в широких пределах.

Классификация высокоскоростных наземных транспортных систем с магнитным подвесом с индукторами ЛАД, установленными на экипаже, и вторичными элементами, уложенными в путевую структуру, изображена на рис. 3. Вопросам магнитного подвеса посвящены, например, работы     [6, 7]. Как и в предыдущей классификации, в системе ВСНТ могут использоваться индукторы ЛАД с продольным, поперечным и продольно-поперечным замыканием магнитного потока, причем последние предназначены преимущественно для создания поперечной автоматической самостабилизации высокоскоростных экипажей с магнитной подвеской относительно путевой структуры.

В случае установки на высокоскоростном экипаже с магнитном подвесом индукторов линейных асинхронных двигателей с продольным или поперечным магнитным потоком в качестве обмоток вторичных элементов могут служить электропроводящие шины, короткозамкнутые обмотки, короткозамкнутые обмотки с регулируемыми сопротивлениями в сочетании с электропроводящими шинами (рис. 3). Если в качестве индукторов ЛАД применяются машины с продольно-поперечным магнитным потоком [2] и с поперечной самостабилизацией, то ВЭ может служить электропроводящие шины или же короткозамкнутые обмотки с регулируемыми сопротивлениями, установленные в приподстанционных зонах и на самой станции, в сочетании с электропроводящими шинами, занимающими основные части перегонов между станциями.

Электропроводящие шины могут выполняться с одинаковыми сечениями и, соответственно, одинаковыми сопротивлениями по длине и ширине ВЭ.

 

Рис. 2. Классификация систем ВСНТ с магнитным подвесом и индукторами ЛАД в путевой структуре

 

В случае установки на высокоскоростном экипаже с магнитном подвесом индукторов линейных асинхронных двигателей с продольным или поперечным магнитным потоком в качестве обмоток вторичных элементов могут служить электропроводящие шины, короткозамкнутые обмотки, короткозамкнутые обмотки с регулируемыми сопротивлениями в сочетании с электропроводящими шинами (рис. 3). Если в качестве индукторов ЛАД применяются машины с продольно-поперечным магнитным потоком [8] и с поперечной самостабилизацией, то ВЭ может служить электропроводящие шины или же короткозамкнутые обмотки с регулируемыми сопротивлениями, установленные в приподстанционных зонах и на самой станции, в сочетании с электропроводящими шинами, занимающими основные части перегонов между станциями.

Электропроводящие шины могут выполняться с одинаковыми сечениями и, соответственно, одинаковыми сопротивлениями по длине и ширине ВЭ.

Как вариант, электропроводящие шины могут иметь различные сопротивления по длине и ширине: так, на участках путевой структуры, примыкающей к станции, сечение шины уменьшается, а сопротивление ее увеличивается, причем длина пристанционного участка путевой структуры (шины) зависит от пути разгона (или торможения) экипажа ВСНТ.

 

Рис. 3. Классификация систем ВСНТ с магнитным подвесом и индукторами ЛАД на экипаже

 

На основном перегоне при использовании индукторов ЛАД, обеспечивающих поперечную самостабилизацию экипажа относительно путевой структуры, предпочтительно по краям по ширине электропроводящей шины выполнять участки с меньшими сечениями, т.е. с большими сопротивлениями, что обеспечивает увеличение усилий поперечной самостабилизации при боковом, поперечном смещении экипажа ВСНТ относительно путевой структуры. Если вторичный элемент содержит короткозамкнутую обмотку, то она может быть выполнена как с одинаковым сопротивлением по всей длине, так и с различным сопротивлением: на участках, прилегающих к станциям, сопротивление обмотки увеличено, а на основной части перегона – уменьшено. Вторичный элемент может быть комбинированным: на пристанционных участках его обмотка выполняется короткозамкнутой с регулируемым сопротивлением, а на основной части перегона в путевую структуру уложена электропроводящая шина (рис. 3). В ряде случаев для плавного пуска экипажей ВСНТ или для точной их электромагнитной фиксации при остановке могут быть использованы линейные асинхронные электроприводы, разработанные в РГУПС. Их принцип действия основан на использовании встречно бегущих магнитных полей [8, 9].

Заключение

Предложенные классификации не являются исчерпывающими. Они включают в себя разработки авторов, направленные на повышение эффективности и безопасности движения высокоскоростных экипажей как содержащих колесный привод поезда, так и подвешенных в магнитном поле.

About the authors

Vladimir A. Solomin

Rostov State Transport University

Author for correspondence.
Email: ema@kaf.rgups.ru

Doctor of Engineering Sciences, Professor of Chair «Electrical Machines and Apparatus»

Russian Federation

Vladimir N. Noskov

Rostov State Transport University

Email: nvn_nis@sci.rgups.ru

Candidate of Engineering Sciences, Director of Science-Investigating Department

Russian Federation

Andrey V. Solomin

Rostov State Transport University

Email: vag@kaf.rgups.ru

Candidate of Engineering Sciences, Associated Professor of Chair « Carriages and carriage economy»

Russian Federation

Mikhail Yu. Pustovetov

Science-Investigating and Testing Center «Cryotransenergo»

Email: mgsn2006@rambler.ru

Candidate of Engineering Sciences, Associated Professor, Director

Russian Federation

Nikolay S. Flegontov

Science-Investigating and Testing Center «Cryotransenergo»

Email: centrkte@rgups.ru

Deputy Director

Russian Federation

References

Supplementary files