Асинхронный тяговый привод в метрополитене¶

Асинхронный тяговый привод в метрополитене — это электрическая система, обеспечивающая движение вагонов метрополитена посредством трёхфазных асинхронных электродвигателей, питаемых от преобразователей частоты. Данный тип привода пришёл на смену устаревшим системам с двигателями постоянного тока (реостатно-контакторная система управления) и в настоящее время является основным для вновь строящихся и модернизируемых линий метро в России и мире.

¶История

Первые эксперименты по применению асинхронных двигателей на железнодорожном транспорте начались ещё в 1960-х годах, однако их промышленное внедрение стало возможным только с развитием силовой полупроводниковой электроники (тиристоров, а затем IGBT-транзисторов) и микропроцессорных систем управления в 1980–1990-х годах.

В метрополитене СССР и России пионером внедрения асинхронного тягового привода стал вагоностроительный завод в Санкт-Петербурге (ЗАО «Вагонмаш»). В 1992 году был построен первый опытный вагон типа «Яуза» с асинхронным приводом, а в 1990-е годы начались испытания вагонов типа 81-720/721 «Яуза» на Московском метрополитене. Однако серийное производство таких вагонов наладить долго не удавалось из-за экономических трудностей. Впоследствии асинхронный привод получил широкое распространение в вагонах серий 81-760/761 «Ока», 81-722 «Юбилейный», а также в новых моделях, таких как «Москва» (81-765/766/767) и «Москва-2020».

¶Устройство и принцип работы

Основными компонентами асинхронного тягового привода являются:

• Тяговый асинхронный двигатель — трёхфазная электрическая машина с короткозамкнутым ротором. Отсутствие коллектора и щёток повышает надёжность и снижает затраты на обслуживание.
• Инвертор напряжения (преобразователь частоты) — силовое устройство на IGBT-транзисторах, которое преобразует постоянный ток контактной сети (750 В в метро) в трёхфазный переменный ток регулируемой частоты и амплитуды.
• Система управления — микропроцессорный контроллер, реализующий векторное управление или прямое управление моментом. Система обеспечивает плавное регулирование тягового усилия, рекуперативное торможение и диагностику оборудования.

Принцип работы основан на регулировании частоты питающего напряжения: изменение частоты позволяет плавно менять скорость вращения ротора без потерь энергии в пусковых резисторах, характерных для двигателей постоянного тока.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая надёжность — отсутствие коллекторно-щёточного узла, который является наиболее уязвимым местом двигателей постоянного тока.
• Экономичность — снижение расхода электроэнергии на 20–30 % за счёт рекуперативного торможения (возврата энергии в сеть) и отсутствия потерь на пусковых сопротивлениях.
• Плавность хода — бесступенчатое регулирование тяги улучшает комфорт пассажиров и снижает динамические нагрузки на путь.
• Снижение затрат на обслуживание — не требуется периодическая проточка коллекторов и замена щёток.
• Лучшие массогабаритные показатели — асинхронные двигатели компактнее и легче при равной мощности.

¶Недостатки

• Сложность силовой электроники — инверторы требуют качественного охлаждения и защиты от перенапряжений.
• Высокая стоимость оборудования — преобразователи частоты значительно дороже традиционной пуско-тормозной аппаратуры.
• Электромагнитные помехи — работа инверторов создаёт помехи, требующие применения экранированных кабелей и фильтров.

¶Применение в метрополитенах России

В Московском метрополитене асинхронный тяговый привод применяется на всех новых вагонах, начиная с серии 81-760 «Ока» (с 2012 года). Ими полностью укомплектованы составы Кольцевой, Солнцевской, Большой кольцевой и других линий. Петербургский метрополитен эксплуатирует вагоны 81-722 «Юбилейный» и 81-725/726/727 с асинхронными двигателями. Аналогичная техника используется в метрополитенах Казани, Новосибирска и Екатеринбурга.

Помимо России, асинхронный привод широко применяется в метрополитенах Китая, Индии, Европы (например, в Париже и Берлине) и Юго-Восточной Азии.

¶Перспективы развития

Дальнейшее развитие асинхронного тягового привода связано с внедрением полностью асинхронных двигателей с постоянными магнитами (синхронно-реактивных машин), повышением частоты широтно-импульсной модуляции, а также с интеграцией систем накопления энергии (суперконденсаторов) для повышения эффективности рекуперации. В перспективе рассматривается переход на полностью автоматизированные системы управления движением (GoA4), где асинхронный привод является неотъемлемой частью.

¶См. также

• Тяговый электродвигатель
• Рекуперативное торможение
• Вагон метрополитена

¶Источники

• Киселёв И. П. «Электрические схемы вагонов метрополитена с асинхронным тяговым приводом». — М.: Транспорт, 2004.
• Соколов М. М. «Тяговый привод подвижного состава». — М.: УМЦ ЖДТ, 2015.
• Материалы ОАО «Метровагонмаш» и ЗАО «Вагонмаш» о вагонах серий 81-760 и 81-722.