Тяговый линейный электропривод

       Транспорт - это огромная индустрия, и эту индустрию в XXI веке ожидают большие перемены, связанные с тремя основными факторами.        Во-первых, на планете происходит изменение ситуации, связанное с проблемой энергетических ресурсов. Современный транспорт почти полностью зависит от нефти, запасы которой быстро истощаются, и в конце концов наступит время, когда она станет недоступной для использования на транспорте. Различные способы повышения эффективности использования нефти могут отодвинуть, но не предотвратить наступление этого времени. Транспортная система будущего должна быть "всеядной": в начале развития она может работать на относительно дешевом нефтяном топливе, затем должна быть электрифицирована, либо переведена на альтернативные виды топлива или другие источники энергии без дополнительных значительных затрат.        Вторым фактором, диктующим необходимость перемен, является современное состояние самой мировой транспортной системы, основные стандарты которой, например, железнодорожная колея, были заложены ещё в XIX веке. Система является устаревшей, а некоторые её элементы устарели уже давно, так как в неё вносились лишь небольшие и малосущественные изменения, не затрагивающие основ системы.        В-третьих, в XXI веке ещё острее встает глобальные проблемы экологии и безопасности, так как транспорт, из-за масштабности своего использования, стал наиболее опасным изобретением человечества.        Система автодорожного сообщения во многих странах характеризуется высокой интенсивностью движения, наличием огромного парка грузовых и пассажирских автомобилей, дальнейшим ростом их выпуска. Существенными недостатками автотранспорта являются большой удельный расход дефицитного жидкого топлива, значительное загрязнение окружающей среды, сложность организации движения.        Воздушный транспорт, получающий все большее развитие, также не лишен существенных недостатков. Следует отметить такие негативные обстоятельства, как сравнительно низкая вместимость летательных аппаратов, ограниченность транспортной плотности, обусловленной емкостью воздушного пространства, нерентабельность сообщений на расстояниях ниже определенного предела, высокая потребность дефицитного горючего при низкой эффективности использования энергии, существенное загрязнение окружающей среды и обременение населения шумом.        Таким образом, возникает острая необходимость в появлении новой транспортной системы, основанной на новых технологиях и новых стандартах, способных привести к радикальным изменениям в способах транспортировки.        Будущая транспортная система для перевозки пассажиров, мало- и крупнотоннажных грузов должна удовлетворять многим противоречивым требованиям:        - высокая пропускная способность при малой площади занимаемой земли и низких затратах на содержание и ремонт путей сообщения;        - минимальное негативное воздействие на окружающую среду при сохранении большого суточного пробега транспортного средства;        - высокая средняя скорость движения при снижении расхода топлива и числа дорожно-транспортных происшествий;        - путь движения должен быть пригоден для движения и маневрирования общественного и индивидуального транспорта.        Транспортной системой, удовлетворяющей требованиям XXI века, может стать принципиально новый высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ) с магнитным подвешиванием (МП) экипажей и бесконтактной передачей тягового усилия благодаря электромагнитному взаимодействию элементов линейных электродвигателей получивший название «Маглев».

Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation) — это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления. Относится к монорельсовому транспорту. Скорость, достижимая маглевом, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых (для авиации) расстояниях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсов обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

Тяговый линейный электродвигатель для транспорта с магнитным подвесом обеспечивает движение вагонов поезда без механического контакта с путевым полотном. В отличие от традиционных вращающихся, магнитопровод линейного электродвигателя является разомкнутым и подвижная часть линейно перемещается вдоль неподвижоной. В Т. с МП в качестве тяговых используются, преимущественно линейные асинхронные двигатели (ЛАД) и линейные синхронные двигатели (ЛСД) различных модификаций. В простейшем варианте ЛАД состоит из расположенной в пазах сердечника односторонней (рис. а) или двусторонней (рис. б) первичной обмотки, соответствующей статору вращающегося асинхронного двигателя, и вторичной обмотки, выполненной в виде металлической реактивной шины, соответствующей ротору. Трехфазная первичная обмотка создает бегущее магнитное поле, взаимодействие которого с индуктируемыми им токами в реактивной шине, приводит к появлению электромагнитной силы тяги. Поскольку на единицу длины первичная обмотка ЛАД намного дороже вторичной, в действующих транспортных установках и проектах предусмотрено использование ЛАД с так называемым коротким статором, когда первичная обмотка сравнительно небольшой длины устанавливается на подвижном составе, а вторичная - вдоль пути. На рисунках ЛАД приняты обозначения: 1 - ферромагнитный сердечник, 2 - трехфазная обмотка, 3 - неподвижная реактивная шина, 4 - ферромагнитное ярмо. ЛСД состоит из трехфазной обмотки (на рис. - 1), получающей питание от сети трехфазного тока и соответствующей статору вращающегося синхронного двигателя, и размещенных на вагоне (2) системы электромагнитов постоянного тока (3), выполняющей роль обмотки возбуждения. Взаимодействие полюсов бегущего магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой, с полюсами электромагнитов с учетом сил сопротивления приводит к появлению электромагнитной силы тяги. Как правило трехфазная обмотка ЛСД размещается вдоль путевой структуры, а электромагниты устанавливаются на подвижном составе.

Преимущества ЛСД - возможность работы с большим воздушным зазором при высоком коэффициенте мощности. При использовании ЛАД и ЛСД изменение скорости движения поезда осуществляется посредством системы управления, обеспечивающей регулирование параметров электроэнергии трехфазного тока (напряжение, частота).

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS)

На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS)

На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава.

Наиболее активные разработки маглева ведут Германия и Япония.

Достоинства

Теоретически самая высокая скорость из тех, которые можно получить на общедоступном (не спортивном) наземном транспорте.

Низкий шум.

Недостатки

Высокая стоимость создания и обслуживания колеи (стоимость постройки одного километра маглев-колеи сопоставима с проходкой километра тоннеля метро закрытым способом).

Вес магнитов, потребление электроэнергии.

Создаваемое магнитной подвеской электромагнитное поле может оказаться вредным для поездных бригад и/или окрестных жителей. Даже тяговые трансформаторы, применяемые на электрифицированных переменным током железных дорогах, вредны для машинистов, но в данном случае напряжённость поля получается на порядок больше. Также, возможно, линии маглева будут недоступны для людей, использующих кардиостимуляторы^[1].

Рельсовые пути стандартной ширины, перестроенные под скоростное движение, остаются доступными для обычных пассажирских и пригородных поездов. Путь маглева ни для чего другого не пригоден; потребуются дополнительные пути для низкоскоростного сообщения.

Рис. 11. Питание обмоток асинхронных линейных двигателей:

4QS — четырехквадрантные входные регуляторы; PWR — импульсные трехфазные инверторы напряжения; М — обмотки линейного двигателя