KnigaOmelyanenko

5.2. Поезда с электродинамическим подвесом

туров в них наводятся токи, стремящиеся «вытолкнуть» источник магнитного поля из области расположения путевых контуров, и таким образом можно обеспечить бесконтактный подвес и боковое направление поезда — электродинамическую левитацию. При использовании в качестве источника постоянного магнитного поля обычных электромагнитов или постоянных магнитов удается подняться над путевым полотном на 10 мм. Если же использовать сверхпроводящие магниты, то возможно поднять поезд весом несколько десятков тонн на высоту 100…150 мм над опорой.

Транспорт с электродинамическим подвесом устроен следующим образом (ðèñ. 5.5 è 5.6). Кузов вагона 1 сочленяется с рамами тележек 2, где размещены сверхпроводящие магниты 3. Короткозамкнутая путевая катушка подвеса 5 состоит из двух отдельных катушек, расположенных двумя рядами вдоль вертикальной стенки 4, причем каждая вертикальная пара катушек соединена встречно, поэтому получается так называемая нуль-поточная система подвеса. Кроме того, катушки с обеих сторон пути также соединены встречно, образуя нуль-поточную систему бокового направления. На вертикальных стенках пути устанавливаются питающиеся трехфазным током катушки 6, которые во взаимодействии со сверхпроводящими магнитами вагона образуют линейный синхронный двигатель. Поскольку уровень токов, наводимых в катушках путевого полотна, достигает значений, достаточных для обеспечения электродинами- ческой левитации при скоростях более 70 км/ч, подвес и боковое направление вагонов до этой скорости обеспечивается поддерживающими 7 и направляющими 8 колесами. Электродинамическая система принципиально устойчива и не нуждается в системе управления положением вагонов в пространстве.

Конкретную реализацию описанных выше идей покажем на примере поезда MLX, созданного в Японии (ðèñ. 5.7) [43].

Здесь интерес представляет, прежде всего, часть тяговолевитационной системы, размещенной на подвижном составе. Конструктивные узлы и элементы этой системы располагаются на тележках (ðèñ. 5.8). Основу тележки составляет рама 2, к которой крепятся сверхпроводящие магниты 3, колеса подвеса 7 и бокового

131

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

Рис. 5.5. Система электродинамического подвеса, направления и тяги

Рис. 5.6. Путевая структура системы электродинамического подвеса, направления и тяги

132

5.2. Поезда с электродинамическим подвесом

Рис. 5.7. Поезд MLX

Рис. 5.8. Тележка и магнит поезда MLX

133

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

Рис. 5.9. Поезд MLX на испытательном полигоне Яманаши (вариант 1)

Рис. 5.10. Поезд MLX на испытательном полигоне Яманаши (вариант 2)

134

5.2. Поезда с электродинамическим подвесом

направления 8, компрессоры 10 и прочее вспомогательное оборудование. Вторичная система подвеса использует пневморессоры 9 и гидравлические гасители колебаний с микропроцессорным управлением. Смежные вагоны опираются на одну общую тележку. Опятьтаки налицо поезд из сочлененных вагонов с распределенной тягой.

Сверхпроводящий магнит является главным узлом транспорта с электродинамической левитацией. Он состоит из сверхпроводящей обмотки и криостата.

Сверхпроводящая обмотка должна создавать в активной зоне систем тяги, подвеса и бокового направления магнитное поле надлежащей формы и интенсивности. Она состоит из сверхпроводящей катушки 11 и целого ряда вспомогательных систем, предназначенных для обеспечения требуемых условий функционирования катушки, основной из которых является система охлаждения. Для поезда MLX катушка длиной 0,95 м, шириной 0,5 м имеет размер сечения окна 46 х 48 мм и магнитодвижущую силу 7 х 105 А (плотность тока более 350 А/мм2). Такую нагрузку в состоянии нести сверхпроводник из NbTi при температуре жидкого гелия (4,2 К). Эти температурные условия сверхпроводнику катушки обеспечивает теплообменник с жидким гелием 12, который в совокупности с рефрижератором 18, гелиевым 16 и азотным 17 танками образуют систему охлаждения. Четыре сверхпроводящих обмотки помещаются в один криостат.

Криостат предназначен для предотвращения поступления тепла извне к сверхпроводящей обмотке и передачи усилий подвеса, бокового направления и тяги от сверхпроводящих обмоток к вагону. Для этого он содержит телескопические опоры 13, тепловой экран 14 и внешний вакуумный кожух 15. Если учесть, что сверхпроводящий магнит работает в условиях тряски и вибраций с динамическими ускорениями порядка 5g, а при этом должен иметь минимальный вес и быть компактным, то становится понятным, что вопрос создания магнитного транспорта с электродинамической левитацией — вопрос создания сверхпроводящих магнитов.

Бортовая система электроснабжения питается от линейного индукторного генератора. Магнитное поле в зоне тяговолевитационной системы имеет основную составляющую и высоко-

135

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

частотные. Волна основной частоты движется со скоростью вагона, а высокочастотная — в несколько раз быстрее. Если на вагоне разместить выполненные с определенным шагом и требуемой схемой соединения дополнительные обмотки, то в них от этих гармоник наводится ЭДС, то есть получается источник электрической энергии. Так, в 96 катушках размером 0,175 x 0,33 м, установленных на головном вагоне поезда MLX, при скорости 500 км/ч достигается мощность 468 кВт.

Система тягового электроснабжения принципиально не отлича- ется от той, которая принята для поездов Transrapid.

В Японии планируется ввести первую очередь такой системы между Токио и Осака параллельно действующей линии Синкансен. Строительство первой очереди начато с ее середины в префектуре Яманаши, с тем чтобы дальнейшее строительство вести в оба направления — к Токио и Осака. В 1997 году построен двухпутный участок длиной 18 км, где два поезда (один 3-вагонный, другой 4-вагонный) успешно прошли ходовые, функциональные и ресурсные испытания (ðèñ. 5.9, 5.10). При испытаниях поездов, движущихся навстречу друг другу, достигалась относительная скорость 1003 км/ч, причем в обоих поездах находились люди. Эти испытания показали, что на пути внедрения такого транспорта в коммерческую эксплуатацию нет серьезных технических препятствий.

5.3. Сравнение высокоскоростных магнитных и колесных поездов

Внедрению новых систем или технологий всегда предшествует сравнение с существующими образцами в различных аспектах. Наиболее важным из них является сравнение соотношений полезного эффекта и затрат. В ходе дискуссии по поводу строительства линии на магнитном подвесе Transrapid между Берлином и Гамбургом высказывались самые разные точки зрения и мнения, однако все они сводились к оценке двух факторов, а именно потреблению энергии в эксплуатации и капитальным затратам на строительство инфраструктуры и подвижного состава [44].

136

5.3. Сравнение высокоскоростных магнитных и колесных поездов

По техническим показателям к системе Transrapid наиболее близки высокоскоростные экспрессы ICE. Сравнение этих систем позволяет оценить два основных фактора, приведенных выше. При этом с одной стороны рассматривается система Transrapid, спроектированная для линии Берлин – Гамбург с максимальной скоростью 400 км/ч и поездами Transrapid 08 (TR08), а с другой – принятая на DBAG технология поездов ICE системы колесо-рельс с максимальной скоростью 300 км/ч.

Для высокоскоростного подвижного состава доминирующим фактором, определяющим энергопотребление, является скорость. Ее влияние может быть компенсировано другими факторами движения и/или свойственными конкретной транспортной системе параметрами. В данном случае речь может идти о следующих факторах, воздействующих на энергопотребление:

–аэродинамическом сопротивлении;

–системе передачи тягового усилия и направления;

–электромеханическом преобразовании энергии;

–потере мощности на всем тракте ее транспортирования от ли-

нии электропередачи внешнего электроснабжения до зажимов тягового двигателя.

Соотношение величин потребляемой поездами ICE и TR08 энергии при постоянной скорости имеет вид:

WTR / WICE = f1.f2. f3. f4. f5,

где коэффициенты учитывают следующие факторы: f1 – скорость; f2 – аэродинамическое сопротивление; f3 – способ направления в колее и передачи тягового усилия; f4 – электромеханическое преобразование энергии; f5 – потери энергии на тракте от линии внешнего электроснабжения до зажимов тягового двигателя.

Если величина f1 определяется довольно просто как квадрат отношения скоростей и в данном случае равна 1,77, то для точного определения остальных четырех величин нужно иметь исчерпывающие данные о величине отдельных расчетных параметров. На базе

137

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

граничных условий и публиковавшихся данных о ряде расчетных параметров возможна грубая оценка этих величин.

Согласно расчетам и измерениям аэродинамическое сопротивление поезда ICE при скорости 300 км/ч почти точно соответствует сопротивлению восьми секционного поезда TR08 при скорости 400 км/ч. Отсюда f2 = 0,9.

Как известно, потребление энергии на тягу в системе колесо

– рельс определяется силами трения скольжения в контакте, необходимыми для передачи силы тяги, и зависит от массы единицы подвижного состава. Для системы Transrapid энергопотребление определяется также и мощностью, потребляемой линейным генератором а также потерями в путевых пластинах систем подвеса и направления. В этом случае f3 = 1,1...1,2.

Как показали сравнительные расчеты, для оценки потерь на электромеханическое преобразование энергии можно ограничиться сравнением потерь в меди тяговых двигателей ICE и линейного двигателя TR08. При этом следует обратить внимание на то, что в случае системы Transrapid двигатель имеет развернутый статор, которой разделен на секции, и ток протекает по активной секции, имеющей значительно большую длину, чем требуется для создания нужной силы тяги. Следует также учитывать подводящие кабели, длина которых измеряется километрами. Ожидаемая величина параметра f4 лежит между 1,05 и 1,1.

Для оценки потерь энергии на тракте ее передачи в случае системы Transrapid следует рассматривать тракт не от выхода тяговой подстанции, а от ее сборной шины напряжением 20...25 кВ до зажимов линейного тягового двигателя.

Тракты подвода энергии у обеих систем различны. Если в системе колесо – рельс ток течет по контактной сети большого суммарного сечения, причем используется параллельное соединение контактных подвесок двух и более путей, то в системе Transrapid имеет место питание поезда, всегда находящегося в конце консольного участка. При этом на тракте реализуется двукратное преобразование тока. Учитывая это, следует ожидать, что

f5 = 1,01...1,05.

138

5.3.Сравнение высокоскоростных магнитных и колесных поездов

Âитоге, потребление энергии поездом TR08 в 1,9 раза больше, чем поездом ICE3.

Для системы Transrapid потребность в железе складывается из шихтованных сердечников развернутого статора в линейном двигателе и материала направляющей шины. Проводившиеся ранее оценки показали, что для системы Transrapid потребность в железе приблизительно в 4 раза выше, чем для системы колесо-рельс.

Меди, используемой в системе Transrapid в качестве материала обмоток развернутого статора и подводящих кабелей, требуется в 5 раз больше, чем в современной высокоскоростной системе колесорельс.

Затраты на преобразователь для системы Transrapid в связи с особыми требованиями к нему в значительной степени отличаются от затрат в системе колесо — рельс, где преобразователь используется для питания асинхронных трехфазных тяговых двигателей. Они, в основном, определяются расходом кремния высокой чистоты, которые тем больше, чем выше установленная мощность преобразователя.

Интегрированный в схему путевой структуры преобразователь (подстанция) должен обеспечить поезду большую мощность. Число подстанций должно, по меньшей мере, быть равным максимальному числу поездов, одновременно находящихся на участке. По соображениям снижения потерь энергии длина подводящих кабелей должна быть небольшой, а это значит, что число подстанций следует увеличи- вать. Согласно проводившимся расчетам расстояние между подстанциями должно быть не более 30 км. Для линии Берлин – Гамбург это составит 10 или 11 подстанций и, соответственно, преобразователей.

Согласно опубликованным результатам расчетов, затраты на

преобразователи, выраженные через установленную мощность, составят (10…11) x 15,5 МВ.À = 160 ÌÂ.А. Для восьми пятивагонных

поездов ICE установленная мощность преобразователей составляет 40 МВ.А, т. е. для системы Transrapid затраты этого вида в 4 раза выше.

К капитальным затратам относятся также затраты на трассировку линий и фактор износа.

139

Глава 5. Магнитолевитирующие поезда

Траса линии на магнитном подвесе может иметь максимальные уклоны до 10 % и до 4 % в системе колесо-рельс. Кроме того, благодаря большему максимальному углу поперечного наклона (12° по сравнению с 6,9° для традиционного пути) путевая структура системы Transrapid может иметь уменьшенные радиусы кривых в плане в связи с тем, что, во-первых, тяга поезда не зависит от сил трения, во-вторых, поезд, основание которого охватывает балку путевой структуры, не может быть опрокинут в случае сильного бокового ветра на участке с максимальным поперечным наклоном. Таким образом, система Transrapid дает больше возможностей прокладки трассы в сложных топографических условиях, чем традиционная.

Пониженным затратам при трассировке линии на магнитном подвесе противостоит высокая стоимость ее путевой структуры с интегрированным развернутым статором линейного синхронного двигателя. Затраты на инфраструктуру линии на магнитном подвесе выше, чем традиционной, как в равнинных условиях (в 1,43 раза), так и в предгорных районах (в 1,1 раза).

Взаимодействие колеса с рельсом сопровождается износом обоих элементов. Если не рассматривать участки с кривыми малого радиуса, то износ в общем случае невелик. Он достигает 1 мм по высоте рельса после пропуска 100 млн. т поездной нагрузки. В связи с этим срок службы рельсов составляет более 20 лет.

Техника магнитного подвеса характеризуется отсутствием такого механического износа, тем не менее, получить инфраструктуру, не требующую технического обслуживания, невозможно, так как и в этом случае неизбежны вибрации элементов путевой структуры под действием нагрузок, коррозия и другие факторы. Если в системе колесо-рельс переход на конструкцию пути с жестким основанием позволит снизить объем работ по его техническому обслуживанию, то в системе Transrapid снижения затрат на текущее содержание путевой структуры вряд ли можно ожидать.

Уровень шума, излучаемого поездом Transrapid, в интервале скоростей 200…400 км/ч растет с 75 до 90 дБ , в то время как в поезд ICE3 этот показатель при скорости 200 км/ч составляет 83 дБ, а при

140