Для работы на линии Tokaido японской сети высокоскоростных линий Синкансен компанией JR Central создан электропоезд нового поколения N700S, оснащенный инновационным тяговым приводом, в состав которого входят преобразователи с полупроводниковыми элементами на основе карбида кремния.
Японская компания Central Japan Railway OR Central) проводит испытания первого электропоезда N700S (рис. 1). Буква S в его названии означает Supreme; таким образом подчеркивается, что новый поезд является наиболее передовой разработкой компании и создан на основе самых прогрессивных технических решений. Поезд оснащен инновационным тяговым приводом с использованием
полупроводниковых компонентов на основе карбида кремния. Кроме того, поезд оборудован литий- ионными тяговыми аккумуляторными батареями, что дает ему возможность продолжать движение с небольшой скоростью при отсутствии питания от контактной сети в случае землетрясения или отключения электроснабжения.
Впервые JR Central сообщила о работе над высокоскоростным поездом нового поколения в июне 2016 г. В октябре 2017 г. был представлен кузов первого вагона. Опытный образец проходит испытания с марта 2018 г. Поставка первых 12 поездов N700S намечена на 2020 финансовый год, в 2021 г., как предполагается, поступят 14 ед., а в 2022 г. еще 14. Это позволит компании завершить замену парка поездов N700.
В создании нового поезда принимали участие компании Fuji Electric, Hitachi, Mitsubishi Electric и Toshiba Infrastructure Systems & Solutions.
Преобразователи и тяговые двигатели
Важнейшая особенность поезда N700S состоит в использовании в его тяговых преобразователях полупроводниковых компонентов, выполненных на основе карбида кремния, за счет чего уменьшены потери мощности, применена более высокая частота и реализован больший ток по сравнению с преобразователями на традиционных полупроводниковых компонентах на основе кремния. Предварительные исследования показали, что для оптимальной реализации их преимуществ одновременно с новыми преобразователями следует применить систему охлаждения без вентиляторов и шестиполюсные асинхронные тяговые двигатели.
Масса ребер охлаждения силовых полупроводниковых элементов в случае отсутствия внешних вентиляторов должна быть больше, чем при использовании принудительной вентиляции. Применив полупроводниковые компоненты на основе карбида кремния в преобразователе с безвентиляторной системой охлаждения, можно уменьшить размеры охлаждающих ребер, поскольку коммутационные потери в этом случае снижаются на величину до 30%. Увеличение допустимой нагрузки по току позволяет использовать шестиполюсные асинхронные двигатели вместо применяемых обычно четырехполюсных. Это даст возможность снизить массу оборудования почти на 20%, главным образом за счет уменьшения объема сердечников главных полюсов.
Тяговый преобразователь поезда N700S состоит из регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и ШИМ-инвертора. В ходе исследований изучались возможности использования компонентов на базе карбида кремния как в регуляторах, так и в инверторах. При этом рассматривали применение устройств двух типов с компонентами на базе карбида кремния:
- гибридного типа — с IGBT- транзисторами на основе кремния и диодами с барьером Шоттки из карбида кремния;
- с МОП-транзисторами и диодами с барьером Шоттки на основе карбида кремния.
Специалисты компании JR Central рассмотрели два типа схем преобразователей, в которых используются как гибридные устройства, так и полностью выполненные на компонентах на основе карбида кремния.
Моделирование, проведенное на основе данных, которые были получены в ходе испытаний, показало возможность снижения суммарных потерь мощности у нового преобразователя примерно на 30% на одну фазу. Результаты испытаний позволили определить размер ребер охлаждения и их расположение, что дает возможность избежать точек нагрева. В итоге удалось оптимизировать форму ребер охлаждения и параметры компонентов преобразователя. По результатам исследований было принято решение использовать как гибридные преобразователи, так и преобразователи, полностью выполненные на компонентах на основе карбида кремния, в зависимости от требуемой в каждом конкретном случае степени улучшения массогабаритных показателей.
Разработчики предложили концепцию привода с шестиполюсным тяговым двигателем, получающим питание от преобразователя с элементами на основе карбида кремния. При этом возрастает допустимое значение тока, что позволяет увеличить число полюсов двигателя с четырех до шести. В свою очередь это дает возможность уменьшить объем сердечника, сохраняя неизменным значение плотности магнитного потока. В шестиполюсном тяговом двигателе также меньше длина выступающих частей катушек, из-за чего осевая длина уменьшается на 10%.
Кроме того, на основе изучения магнитных характеристик была оптимизирована структура ротора. Отношение массы к мощности у шестиполюсного тягового двигателя для поезда N700S на 20% меньше, чем у четырехполюсных двигателей для созданных ранее поездов серий 300, 700, N700 и N700A.
При проведении испытаний опытного электропоезда N700S с тяговым приводом, содержащим преобразователи с элементами на основе карбида кремния и шестиполюсные тяговые двигатели (рис. 2), измеряли температуру критически важных точек. Фиксировались изменения температуры обмоток статора и стержней ротора шестиполюсных тяговых двигателей. Результаты испытаний показали сходимость с расчетными значениями, полученными при проектировании, и подтвердили надежность расчетов.
Уменьшение размеров оборудования
Ширина блока, в котором размещены все составные части преобразователя для поезда N700S, в 2 раза меньше ширины блока преобразователя, предназначенного для поезда N700 (рис. 3). Осевая длина шестиполюсного тягового двигателя поезда N700S меньше на 10% по сравнению с четырехполюсным. Масса главного трансформатора (рис. 4) также уменьшилась, однако это достигнуто преимущественно за счет применения новой системы охлаждения. В целом масса тягового электрооборудования поезда N700S на 20% меньше, чем у поезда серии N700.
Уменьшение массы и габаритов компонентов оборудования способствует расширению возможностей их размещения ниже уровня пола подвижного состава. Поскольку преобразователи, установленные на поездах серий N700 или N700A, занимают достаточно много места, их невозможно расположить в одном вагоне с главным трансформатором. Приходится устанавливать их в другом вагоне, что требует прокладки между вагонами дополнительных проводов, ведущих от главного трансформатора к преобразователям и тяговым двигателям. Применение тяговых преобразователей с полупроводниковыми элементами на основе карбида кремния позволяет решить эту проблему и разместить главный трансформатор и преобразователь в одном вагоне. Благодаря этому появляется возможность создавать различные конфигурации составности поезда, в частности формировать поезда из 8 или 12 вагонов, а не использовать только стандартную составность из 16 вагонов, как практиковалось на линии Tokaido ранее.
Для проверки состояния или ремонта блок преобразователей извлекают из вагона. Проводится ремонт рамы, контроль и замена водонепроницаемых уплотнений, выполняется проверка системы защиты. Чтобы сократить расходы на техническое обслуживание, раму преобразователя было решено изготовить из нержавеющей стали, а не из алюминия. Кроме того, была разработана и реализована схема самодиагностики печатной платы системы управления. Диагностические тесты, выполняемые с ее помощью, могут заменить испытания, которые обычно проводятся во время технического обслуживания с помощью специальных внешних устройств.
Такие новшества устранили необходимость демонтажа как силового преобразователя, так и блока управления во время осмотров, что позволило сократить объем работ и время, требуемое для их проведения.
Питание от аккумуляторов
На поезде N700S реализована возможность использования тяговых литий-ионных аккумуляторов при движении с низкой скоростью в чрезвычайных ситуациях, например при отсутствии напряжения в контактной сети или в случае землетрясения. Место для установки батарей удалось найти благодаря использованию более компактного тягового привода. Схема питания от аккумуляторов успешно прошла испытания на опытном поезде в сентябре 2018 г. и будет внедрена на серийных поездах N700S.
Предполагается, что технические решения, примененные на поезде N700S для линии Tokaido, откроют возможности более широкого распространения тягового привода с преобразователями, построенными на элементах на основе карбида кремния, и литий-ионных аккумуляторных батарей на подвижном составе как в Японии, так и за ее пределами.
Железные дороги мира — 2020, № 2