Германия: В 2020 году грузовой перевозчик, входящий в состав национальной Deutsche Bahn, заказал у японского производителя 50 локомотивов HDB 800 с тягой от дизельных двигателей и двух аккумуляторных батарей. Они должны заменить парк тепловозов класса 290, выпускавшихся немецкой MaK с 1964 по 1974 годы. Аналогичная партия из 50 машин была законтрактована и европейской лизинговой компанией Railpool для последующей передачи DB Cargo. Заказчик рассчитывает, что новый парк обеспечит экономию как минимум 1 млн литров дизельного топлива в год.
Производство первых 10 предсерийных локомотивов началось на площадке Talbot Services в Ахене в середине 2023 года, на 3 года позже запланированного срока. Две первых машины были готовы только в конце 2024-го. Как сообщила в конце апреля Toshiba чешскому изданию Railvolution, сейчас локомотивы проходят динамические испытания на путях завода Alstom в немецком Хеннигсдорфе. Тесты являются частью процесса сертификации для работы в Германии. Параллельно с этим проходит сборка еще 6 локомотивов в Ахене.
В 2021 году подробную статью о разработке HDB 800 и ключевых новациях его тяговой системы в корпоративном издании Toshiba Review опубликовали представители международного департамента проектирования ж/д систем Toshiba Infrastructure Systems & Solutions Хироясу Киношита и Котаро Огава. Редакция ROLLINGSTOCK перевела и адаптировала этот материал.
Общая информация о тяговой системе локомотива
В рамках проекта Diesel-Electric Hybrid Locomotive (DEHLo), реализуемого совместно с DB Cargo, мы получили контракт на проектирование и производство гибридного локомотива модели HDB 800. Мы приступили к его разработке с целью достижения более чем 30% экономии топлива по сравнению с эксплуатирующимися DB Cargo тепловозами. Тяговая аккумуляторная система для HDB 800 имеет номинальную мощность на ободе колеса в 750 кВт и использует литий-ионную батарею SCiB, разработанную Toshiba. Также локомотив оснащен синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM), отличающиеся высокой эффективностью и простотой обслуживания.
Ниже показана схема электрической передачи HDB 800. В ней было применено двойное модульное резервирование – дублирование компонентов системы для обеспечения резервирования на случай отказа одного из них. При этом каждая репликация состоит из дизельного двигателя и генератора, а четыре тяговых двигателя управляются четырьмя инверторами.
Схема тяговой системы локомотива Toshiba HDB 800 (увеличить). Источник: Toshiba
Существует два различных типа гибридных систем: параллельные и последовательные. Мы выбрали последовательную. В ней двигатель с помощью генератора приводит в движение локомотив. Система устраняет необходимость в использовании коробки передач и трансмиссионных валов. Это позволяет сократить количество деталей и частоту отказов системы.
HDB 800 спроектирован таким образом, чтобы его можно было использовать как для маневровых работ, так и для курсирования по магистральным линиям на короткие расстояния. Гибридная система помогает значительно сократить потребление энергии во время маневров. Так, аккумуляторы позволяют снизить потребление дизеля во время переключения из режима холостого хода на тягу и обратно, в свою очередь сами батареи заряжаются от энергии рекуперативного торможения.
Система тяговых аккумуляторов (SCiB)
В SCiB применяется оксид титаната лития для анода. Несмотря на то, что SCiB является литий-ионным аккумулятором, он отличается повышенной безопасностью, длительным сроком службы, работой при низких температурах, быстрой зарядкой и высокой входной/выходной мощностью.
Тяговая аккумуляторная система HDB 800 спроектирована таким образом, что в случае отказа неисправный компонент может быть отключен. Она состоит из 56 модулей SCiB, соединенных последовательно, и обеспечивает общую емкость 120 кВт*ч. Как и в случае с силовым преобразовательным модулем тяговая аккумуляторная система охлаждается водой, чтобы снизить нагрев аккумулятора, позволяя продлить срок его службы.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)
Европейский стандарт EN 13749 устанавливает требования к прочности тележки, на которой располагаются тяговые электродвигатели. Мы проанализировали прочность в соответствии с EN 13749, используя модель двигателя (на рисунке ниже).
Модель двигателя PMSM. Источник: Toshiba
Принимая во внимание производственные особенности, мы обеспечили достаточную безопасность тяговых двигателей, применив коэффициент запаса прочности в соответствии с руководством по аналитической оценке прочности компонентов в машиностроении FKM, широко используемым в Германии.
Силовой преобразовательный модуль
Каждый модуль включает в себя блок питания, состоящий из одного преобразователя и двух инверторов, а также блок управления питанием и вспомогательный блок питания.
Устройство силового преобразовательного модуля. Источник: Toshiba
Среди особенностей силового преобразовательного модуля можно выделить:
-
- Для обеспечения бесперебойной работы локомотива силовой преобразователь дублируется. Кроме того, блок питания оснащен инвертором для каждого из тяговых двигателей, что позволяет отключать их по отдельности;
- HDB 800 укомплектован системой принудительного водяного охлаждения, позволяющей уменьшить размеры блока питания;
- Несмотря на то, что каждый тяговый двигатель управляется отдельным инвертором, функции управления оптимально распределены между блоками управления и питания. Таким образом один блок может управлять одним преобразователем и двумя инверторами. В результате удалось еще больше уменьшить размеры силового преобразовательного модуля;
- Блок питания обеспечивает дополнительное пространство для установки тягового преобразователя на основе IGBT-транзисторов на случай, если возникнет необходимость тяги от контактной сети.
Испытания и оценка результатов
Мы провели типовые испытания силовой установки и тягового двигателя, которые будут установлены на HDB 800. Они включали испытания на вибрацию, измерение КПД и температуры, чтобы убедиться в том, что силовая установка и тяговый двигатель соответствуют своим техническим характеристикам. Электрооборудование, предназначенное для европейского рынка, должно быть протестировано на соответствие стандартам EN.
Мы успешно завершили все необходимые испытания. В результате теста под номинальной нагрузкой эффективность тягового двигателя и силовой установки составила 97,4%, что превышает проектный показатель в 96%. Это означает улучшение эффективности примерно на 5% по сравнению с обычным асинхронным двигателем открытого исполнения.
Концепция будущего гибридного локомотива
HDB 800 спроектирован таким образом, чтобы иметь возможность добавить тягу от контактной сети.
Схема тяговой системы локомотива Toshiba HDB 800 с добавлением тяги от контактной сети (увеличить). Источник: Toshiba
Для создания такого локомотива необходимо решить множество проблем, таких как обеспечение достаточного пространства для установки необходимого оборудования и разработки технологии переключения между различными режимами мощности. Поэтому важно уменьшить габариты оборудования. Например, среди наших идей – использование только одного небольшого дизельного двигателя-генератора исключительно для выработки энергии, необходимой при аварийном запуске.
Авторы:
Хироясу Киношита, международный департамент проектирования ж/д систем, Toshiba Infrastructure Systems & Solutions
Котаро Огава, международный департамент проектирования ж/д систем, Toshiba Infrastructure Systems & Solutions
Алексей Столчнев, руководитель российских редакционных проектов, ROLLINGSTOCK Agency (перевод, адаптация и вступление к статье)
Следите оперативно за новостями рынков подвижного состава в Telegram-канале ROLLINGSTOCK
