аи сидоров КАК УСТРОЕН И РАБОТАЕТ ЭЛЕКТРОВОЗ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974
6TI.4
С34
УДК 621.335.2
Сидоров Н. И.
•С34 Как устроен и работает электровоз. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.., «Транспорт», 1974.
224 с. с табл, и рис.
В книге в форме, доступной для читателей, знакомых с основами электротехники и принципом действия электрических машин, описаны устройство н работа электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Советского Союза. Даны основные понятия об электрических схемах электровозов, принципах нх чтения. Рассказано о электровозах новых типов с вентильными и асинхронными двигателями и с тиристорными преобразователями. Приведены краткие сведения об организации эксплуатации электровозов, устройстве тяговых подстанций н контактной сети.
Книга рассчитана на широкий круг железнодорожников, учащихся профтехучилищ и старших классов средней школы.
31802-120 а
О49ГО1 )-74 120 а*74
6TI.4
Издательство «Транспорт», 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ
Во второй половине пятидесятых годов в нашей стране началась коренная техническая реконструкция железнодорожного транспорта на основе электрификации и широкого внедрения тепловозной тяги. С 1957 г. прекратилась постройка паровозов и за короткое время локомотивостроительные заводы были перестроены на выпуск электровозов и тепловозов.
Одновременно началась в широких масштабах подготовка кадров для локомотивного хозяйства, в том числе машинистов и помощников машинистов электровозов и тепловозов, и переподготовка паровозных бригад для работы на новых локомотивах. Только за прошедшее пятилетие было обучено свыше 137 тысяч машинистов и их помощников для работы на электровозах и тепловозах. Массовая подготовка и переподготовка локомотивных бригад проводится и в настоящее время. Это в-свою очередь потребовало создания учебников и учебных пособий, практических руководств по электротяговому хозяйству. Кроме специальной литературы для читателей, интересующихся работой электрических железных дорог, была издана в 1959 г. книга «Как устроен и работает электровоз». В то время преобладающее число участков электрифицированных железных дорог работало на постоянном токе (примерно из 10 000 км электрифицированных железных дорог, немногим более 400 км было электрифицировано на однофазном переменном токе промышленной частоты). Поэтому основное внимание в книге уделялось описанию электровозов постоянного тока.
Второе издание вышло в 1964 г. К этому времени на переменном токе было уже электрифицировано свыше 3 400 км при общей протяженности электрических железных дорог более 20 000 км. В связи с этим содержание книги подверглось переработке: было уделено значительное внимание электровозам переменного тока. В выпрямительных установках электровозов переменного тока в тот период в качестве вентилей использовались в подавляющем большинстве запаянные ртутные выпрямители и лишь немногие локомотивы были оснащены кремниевыми
3
полупроводниковыми выпрямителями. Поэтому описанию ртутных выпрямителей было уделено соответствующее внимание.
В настоящее время, наоборот, подавляющее большинство электровозов переменного тока оснащено кремниевыми выпрямительными установками. Массовое производство управляемых полупроводниковых кремниевых вентилей (тиристоров) открыло возможности для коренного совершенствования электровозов как переменного, так и постоянного тока, создания тяговых двигателей принципиально новых типов. Эти обстоятельства предопределили необходимость дальнейшей переработки третьего издания.
Электрическая тяга тесно объединяет устройства электроснабжения и электровозы. Поэтому в книге приведены также краткие сведения о тяговых подстанциях и контактной сети.
За время, прошедшее после второго издания книги, в нашей стране была разработана и введена в действие Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Все электрические, пневматические и кинематические схемы, приведенные в книге, выполнены в соответствии с этой системой; кроме того, приведены основные сведения об условных графических обозначениях, принятых в ЕСКД и используемых в различных схемах, что позволило сократить и упростить излагаемый материал.
Как и в предыдущих изданиях, уровень изложения материала книги рассчитан на читателей, знакомых с основными законами и понятиями физики и электротехники, а также принципами действия коллекторных машин постоянного тока и асинхронных трехфазных двигателей.
Автор выражает искреннюю признательность доктору техн, наук проф. В. Е. Розенфельду за ценные советы, которые он дал при рецензировании рукописи.
Все замечания и пожелания по содержанию и оформлению книги просим направлять по адресу: Москва, 107-174, Басманный тупик, 6а, издательство «Транспорт».
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
1.	Первое знакомство с электровозом
Электровозом называют локомотив, приводимый в движение электрическими двигателями, которые получают электрическую энергию через токоприемник от контактной сети, подключенной к тяговой подстанции. В редких случаях электровоз питается от аккумуляторов, установленных на нем же. Электровозы имеют сложное механическое, электрическое и пневматическое оборудование.
Кузов электровоза специальными опорами (рис. I), а иногда и рессорами опирается на рамы тележек. Рамы рессорами и буксами с подшипниками связаны с колесными парами. Благодаря наличию рессор уменьшается вредное воздействие электровоза на путь, да и оборудование локомотива меньше изнашивается, так как снижается сила ударов, воспринимаемых им при прохождении стыков и неровностей пути.
Современные электровозы имеют две, три и четыре тележки. В каждой из них устанавливают несколько колесных пар.
Колесные пары электровозов, эксплуатируемых на отечественных дорогах, приводятся во вращение отдельными двигателями, называемыми тяговыми. Их валы соединяют с осями колесных пар зубчатыми передачами (редукторами). Колесные пары, приводимые во вращение тяговыми двигателями, называют движущими.
На электровозе установлено множество различных электрических аппаратов, предназначенных для пуска тяговых двигателей в ход, изменения скорости и направления движения, защиты оборудования от перегрузок, перенапряжений и токов короткого замыкания.
Эти аппараты, как и тяговые двигатели, находятся под высоким напряжением1. Поэтому управляют ими обычно на расстоянии — ди-
1 В соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей, разработанными Министерством энергетики и электрификации СССР, все электроустановки по условиям электробезопасности разделяются на электроустановки напряжением до 1 000 В включительно и электроустановки напряжением свыше 1 000 В.
С учетом характера книги и для краткости изложения в ней сохранены термины «высокое напряжение» и «низкое напряжение».
5
Зле к три. чес кие а о параты^
Токоприемник
Рис. 1. Схема, поясняющая устройство электровоза
станционно из кабины машиниста с помощью специальных аппаратов, приводимых в действие током низкого напряжения, не опасного для жизни человека, и сжатым воздухом.
Такая система управления называется косвенной. Она применена на всех наших магистральных электровозах. В качестве источника тока низкого напряжения используют генераторы управления или полупроводниковые преобразователи, а для получения сжатого воздуха— компрессоры. От генераторов управления, кроме низковольтных аппаратов, получают энергию приборы освещения и заряжается аккумуляторная батарея. Воздух, сжимаемый компрессорами, необходим также для приведения в действие пневматических (воздушных) тормозов локомотива и состава.
Для подачи охлаждающего воздуха в тяговые двигатели и некоторые другие электрические машины и аппараты на электровозах используют вентиляторы. На электровозах переменного тока устанавливают мощные трансформаторы. Для охлаждения их необходима жидкость, циркуляция которой осуществляется центробежными насосами.
Генераторы управления, вентиляторы, компрессоры, насосы называют вспомогательными машинами электроподвижного состава. Вспомогательные машины приводятся в действие отдельными электрическими двигателями (моторами). Поэтому их называют мотор-комп-рессорами, мотор-вентиляторами, мотор-насосами. Генераторы тока управления обычно отдельных двигателей не имеют, и их устанавливают на одном валу с какими-либо вспомогательными машинами.
Известно, что электрические машины обладают обратимостью, т. е. в зависимости от определенных условий могут работать в качестве-двигателей или, наоборот, генераторов электрической энергии. На мно
6
гих электровозах при движении по спуску, а в некоторых случаях и перед остановками, тяговые двигатели переключают для работы в качестве генераторов. При этом кинетическая и потенциальная энергия, запасенные в поезде, преобразуются в электрическую и передаются в контактную сеть. Этот процесс называется рекуперацией электрической энергии. Термин «рекуперация» происходит от латинского слова «геси-peratio», что значит «получение вновь». Тем самым осуществляется электрическое торможение поезда. На части электровозов рекуперируемая электрическая энергия поглощается в резисторах', превращаясь в тепловую. Такой способ электрического торможения называют реостатным. Чтобы осуществить рекуперацию, на электровозах постоянного тока устанавливают специальные мотор-генераторы, без которых тяговые двигатели не могут устойчиво работать как генераторы. Электрические машины и аппараты электровоза соединяются с контактной сетью специальными токоприемниками, устанавливаемыми на крыше кузова.
Электрическое оборудование электровозов, работающее под высоким напряжением, объединено в две электрические высоковольтные цепи — силовую, включающую в себя тяговые двигатели, пусковую и регулирующую аппаратуру, и цепи вспомогательных машин со своей аппаратурой. Низковольтные электрические аппараты, с помощью которых управляют работой аппаратов силовой и вспомогательных цепей, объединены в отдельную цепь — цепь управления.
Основным аппаратом цепи управления является контроллер машиниста. Контроллер машиниста и некоторые другие низковольтные электрические аппараты размещены в кабине машиниста.
Пневматическое оборудование электровоза состоит из компрессоров, резервуаров для хранения запаса сжатого воздуха, трубопроводов, пневматических приводов электрических аппаратов.
Все локомотивы, в том числе и электровозы, обязательно имеют автоматические тормоза, приводимые в действие сжатым воздухом, и ручные тормоза.
2.	Переменный или постоянный ток?
Общеизвестно, что электрические станции почти всю электрическую энергию производят в виде трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота пе-
1 В соответствии с действующими ГОСТами ранее широко использовавшийся термин «сопротивление» заменен термином «резистор». Резистор — это изделие, а сопротивление — физическая величина, так же как конденсатор — это изделие, а емкость — физическая величина, катушка индуктивности — изделие, а индуктивность физическая величина.
7
ременного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В Советском Союзе, как и в большинстве стран, промышленная частота принята 50 Гц.
Вполне естественно, что для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить и на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Такие двигатели, созданные русским ученым М. О. Доливо-Добровольским, быстро завоевали всеобщее признание и получили повсеместное распространение в промышленности.
Но эксплуатировать трехфазные двигатели на электрических железных дорогах оказалось делом сложным. В этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или по крайней мере два, заменив третий ходовыми рельсами. Устройство контактной сети оказалось очень трудным, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением свыше 10 кВ практически невозможно, так как провода при высоком напряжении нужно располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии. Но в дальнейшем широкого распространения такая система не получила.
Создать надежный однофазный двигатель переменного тока, получающий питание от одного контактного провода с использованием рельса в качестве второго провода, не удавалось. Правда, за границей в первый период введения электрической тяги все же устанавливали на электровозах однофазные двигатели, но питали их переменным током пониженной частоты (16 % и 25 Гц). В условиях капиталистических стран, когда некоторые железнодорожные компании имели собственные электрические станции, или в тех странах, где стандартной является частота 25 Гц, такой путь электрификации был приемлемым. Так, например, первые участки железных дорог Австрии были электрифицированы в 1912 г. на переменном токе при напряжении в контактной сети 15 кВ, частотой 162/з Гц. В дальнейшем электрификация железных дорог в Австрии продолжалась по этой же системе тока. Электрифицированные линии Австрии в настоящее время питаются от 12 электростанций, восемь из этих электростанций являются собственностью железных дорог.
Однако строить электростанции, производящие электрическую энергию переменного тока пониженной частоты, специально для электрических железных дорог нерационально. Поэтому в Советском Союзе электрификация железных дорог на переменном токе пониженной частоты не осуществляется.
8
Тяговые двигатели постоянного тока наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым условиями работы электровозов, одновременно достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритах развивают необходимую мощность. Поэтому в СССР, как и во многих других странах, на протяжении многих лет электрифицировали железные дороги по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. В настоящее время в Советском Союзе все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. Попутно отметим, что на постоянном токе, но более низкого напряжения работают также трамвай, троллейбус и метрополитен.
Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называют электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, где они работают, электрифицированными железными дорогами постоянного тока или точнее железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока напряжением 3000 В. В настоящее время около 70% всех электрифицированных железных дорог мира (по протяженности) работают на постоянном токе.
Перевозки грузов и пассажиров железными дорогами нашей страны непрерывно растут. Например, за 30 лет с 1940 г. по 1970 г. грузооборот железных дорог (т. е. количество грузов в тоннах, которое перевезено за год, умноженное на расстояние их перемещения в километрах) увеличился в 6 раз, а протяженность дорог — только на 26%.
Среди многих мероприятий, обеспечивающих освоение такого огромного прироста грузооборота, немаловажную роль играет увеличение мощности локомотивов. Но с повышением мощности электровозов растет потребляемый ими ток, а следовательно, падение напряжения и потери электрической энергии в контактной сети, если неизменно ее сечение и напряжение в контактном проводе. Чтобы уменьшить непроизводительные потери энергии, увеличивают сечение проводов, но это вызывает большой расход дефицитного цветного металла. Лучше было бы, конечно, повысить напряжение, но сделать это не позволяют тяговые двигатели и тяговая аппаратура: они могут удовлетворительно работать при напряжении в контактной сети не выше 3000 В.
Поэтому вновь начали изучать возможности использования переменного тока для электрической тяги. Известно, что переменный ток обладает замечательным свойством: его можно трансформировать, г. е. повышать или понижать напряжение в очень широких пределах. Подводя высокое напряжение к контактному проводу, нетрудно понизить его с помощью трансформатора, установленного на электровозе, до оптимального по условиям работы тяговых двигателей. Но, как от
»
мечалось выше, до сих пор еще не создан надежный тяговый двигатель однофазного тока промышленной частоты.
А что если на самом локомотиве преобразовать переменный ток, передаваемый по контактной сети, в постоянный? Тогда к контактным проводам можно будет подводить очень высокое напряжение, на электровозе понижать его, преобразовывать переменный ток в постоянный и питать им тяговые двигатели.
Это стало практически осуществимо первоначально после освоения нашей промышленностью производства надежно действующих ртутных выпрямительных установок, а затем полупроводниковых выпрямителей.
Электровозы с ртутными выпрямителями эксплуатировали довольно долго, но они обладают многими недостатками. Так, при подготовке локомотива к работе выпрямители приходится разогревать, на это уходит до получаса; кроме того, ртутные преобразователи громоздки и сравнительно тяжелы.
В связи с освоением массового производства мощных кремниевых вентилей и значительным снижением их стоимости в настоящее время осуществляется интенсивная замена ртутных выпрямительных установок полупроводниковыми. Кремниевые вентили при значительной мощности имеют небольшой вес, малые габариты, высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.), устойчиво работают в широком диапазоне температур. Создание локомотивов с полупроводниковыми установками — большой шаг вперед в области совершенствования электрической тяги.
Для питания электровозов применяют однофазный ток промышленной частоты, напряжением в контактном проводе 25 000 В. Железные дороги, где эксплуатируются такие электровозы, называют электрическими железными дорогами переменного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе переменного тока промышленной частоты напряжением 25 000 В. На 1 января 1974 г. протяженность электрических железных дорог в нашей стране составила 37 124 км, из этого количества 12 500 км электрифицировано на переменном токе.
В девятой пятилетке Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971 —1975 гг. намечено электрифицировать 6—7 тыс. км железных дорог. Электрификация этих дорог в зависимости от различных условий осуществляется на переменном и постоянном токе.
Для создания более экономичной системы электроснабжения проводятся научно-исследовательские работы в области повышения напряжения в контактной сети дорог постоянного тока до 6, а возможно и до 12 кВ.
10
3.	Электроснабжение электрифицированных железных дорог
Электрические железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем. Энергосистема — это объединение крупных электрических станций, связанных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые, где используются разнообразные виды органического топлива, гидравлические и атомные.
На рис. 2 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрической железной дороги условно от одной тепловой электростанции.
Трехфазный переменный ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю проходит к повышающему трансформатору, где его напряжение может быть в зависимости от различных условий повышено, например, до 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими в СССР стандартами. Затем ток через высоковольтный выключатель и линию электропередачи проходит к потребителям, в данном случае к тяговой подстанции. Высоковольтный выключатель служит для отключения линии электропередачи от электрической станции, если произойдет короткое замыкание линии, возникнут недопустимые перегрузки или для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.
Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку тягового трансформатора, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до величины, необходимой для нормальной работы электроподвижного состава. Электрическая энергия переменного тока от вторичной обмотки тягового трансформатора по кабельной линии подводится к тяговой подстанции.
Устройство и работа тяговых подстанций дорог постоянного и переменного тока резко различаются.
На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, происходит преобразование переменного тока в постоянный с помощью преобразователей. Первоначально для этой цели использовали вращающиеся преобразователи, которые состояли из мощных двигателей переменного тока, установленных на одном валу с генераторами постоянного тока. Затем такие преобразователи были вытеснены ртутными выпрямителями по мере совершенствования последних. В настоящее время ртутные выпрямители заменены полупроводниковыми.
Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель и питающую линию подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях элек-
11
Электростанция
Разрядник
Повышающий трансформатор
Выпрямитель
Высоковольтный выключатель
Тяговая подстанция
Быстродействующий выключатель-
Рис. 2. Общий вид участка электрической железной дороги постоянного тока и питающих ее устройств
Отсасываю-( щая линия
Линия электро-передачи
’ Высоковольтный выключатель матер
Питающая линия
12
тровоза ток из вторичной обмотки тягового трансформатора проходит через выпрямитель, быстродействующий выключатель, питающую линию, контактную сеть, токоприемник, пускорегулирующие аппараты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.
Быстродействующий выключатель предназначен для автоматического отключения питающей линии, а следовательно, и контактной сети в случае перегрузок и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства каких-либо работ, что также осуществляют путем отключения быстродействующего выключателя.
Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для понижения напряжения, подводимого от линии электропередачи, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электрической энергии постоянного тока по участкам контактной сети.
Если железная дорога электрифицирована на переменном токе промышленной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения подводимого напряжения от линии электропередачи и распределения электрической энергии по участкам контактной сети. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, чем на дорогах постоянного тока.
4.	Немного из теории движения поезда
В дальнейшем для более ясного понимания работы электровоза необходимо знать основные положения теории движения поезда. Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов.
Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд. При движении поезда на него могут действовать сила тяги F, сопротивление движению W и тормозная сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; сила сопротивления движению — неуправляемая.
Как же образуются эти силы и отчего они зависят?
В начале книги было отмечено, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3). Малое зубчатое колесо редуктора насажено на вал тягового двигателя, а большое — на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого колеса называют передаточным отношением i. Если пустить в ход тяго-
13
Сила, действующая на колесо
'''-Реакция
рельса
Рис. 3. Образование силы тяги
вый двигатель, то на его валу создается вращающий момент. Частота вращения колесной пары будет в i раз меньше частоты вращения вала двигателя, зато вращающий момент соответственно в i раз больше (если не учитывать потери энергии в редукторе).
Рассмотрим необходимые условия для того, чтобы электровоз начал двигаться.
Если предположить, что элект-
ровоз подвешен в воздухе, тогда под действием вращающего момен-
та колесная пара начнет вращаться, например, по часовой стрелке (см. рис. 3). Но при этом колесная пара, а следовательно, и электровоз не будет двигаться поступательно. Когда же электровоз стоит на рельсах, колесные пары своими по
верхностями опираются на них в точках а, создавая давление как от собственного веса, так и от части веса оборудования электровоза, приходящегося на колесную пару. Эта суммарная сила создает вследствие трения между колесом и рельсом силу сцепления колеса с рельсами.
Поэтому при работающих двигателях колесные пары покатятся по рельсам, а не будут вращаться на месте, так как скольжению колес относительно рельсов препятствует сила сцепления между ними. Сила сцепления движущего колеса и рельса направлена в сторону, противоположную направлению вращения. Возникновение силы сцепления в точке соприкосновения колеса с рельсом по современным воззрениям объясняется следующим.
На кажущихся гладкими поверхностях рельса и колеса при сильном увеличении можно рассмотреть неровности, схематически показанные на рис. 3. Так как площадь соприкосновения (контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие удельные давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельса и в результате возникает сцепление.
Сила сцепления аБ между колесом и рельсом является внешней по отношению к колесу, а следовательно, и к электровозу. Вращающий момент М, создаваемый тяговым двигателем, образует пару сил оА' и аА. Так как силы аА и аБ на основании третьего закона Ньютона равны друг другу и направлены встречно, то неуравновешенной остается сила оА', которая и вызывает движение электровоза. Эту силу называют силой тяги. Она направлена в сторону движения электровоза.
14
Условно считают, что сила тяги приложена в точке соприкосновения рельса и колеса, и называют ее касательной силой тяги, или силой тяги на ободе колеса. В действительности же она воспринимается подшипниками шеек осей колесных пар. Чтобы подсчитать касательную силу тяги всего электровоза, нужно значение вращающего момента М„ на валу двигателя, умножить на передаточное число редуктора i, поделить на радиус движущего колеса R и умножить на число движущих колесных пар.
Увеличивая вращающий момент двигателя, тем самым увеличивают и силу тяги. При некотором значении возрастающей силы тяги сцепление между колесом и рельсом нарушается и колесо будет проскальзывать по рельсу, т. е. начинается так называемое боксование, и касательная сила тяги резко уменьшается. Отсюда можно сделать следующий вывод: для реализации силы тяги локомотива необходимо создать достаточную силу сцепления колес с рельсами. От чего же зависит сила сцепления?
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе давления — нагрузке от всех движущих колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.
Для подсчета силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать так называемый коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на коэффициент сцепления, определяют силу тяги. Следовательно, коэффициент сцепления является коэффициентом пропорциональности между сцепным весом и силой тяги.
Коэффициент сцепления непостоянен. Он зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и рельсов. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже. Влияние состояния поверхности рельсов на величину коэффициента сцепления можно проиллюстрировать на следующем примере. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. № 290 (16115) в заметке «Улитки против паровоза» сообщалось о том, что один из поездов в Италии был вынужден остановиться на несколько часов. Причиной задержки оказалось огромное количество улиток, переползающих через железнодорожное полотно. Машинист пытался провести поезд через эту движущуюся массу, но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с места. Лишь через несколько часов, когда поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Применение песка повышает коэффициент сцепления. В момент трогания состава коэффициент сцепления больше, чем во время движения. С увеличением скорости он снижается. Численное значение коэффициента сцепления изменяется в широких пределах — от 0,06 до 0,5.
15
Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз, тем большей массы состав можно будет вести.
Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформаций пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного уклонами и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых уклонах совпадает с направлением движения за счет составляющей веса поезда.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно, как только поезд начнет двигаться, дополнительное вызывается уклонами, кривыми пути, низкой температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению очень сложно. Обычно его подсчитывают по опытным (эмпирическим) формулам, полученным на основании многих исследований и испытаний в различных условиях. Величина основного сопротивления возрастает с увеличением скорости. При больших скоростях преобладает сопротивление воздушной среды.
В случае торможения на поезд действует искусственно созданная каким-либо способом тормозная сила В, которая направлена против движения и используется для снижения скорости поезда или полной
его остановки.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три вида движения поезда: тягу, или движение под током, выбег, или движение без тока, торможение.
В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд действуют сила тяги F и сопротивление движению поезда W.
Рис. 4. Кривая изменения скорости при движении поезда иа перегоне
Характер изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой оа (рис. 4) будет определяться разностью сил F и W, называемой ускоряющей силой тяги. Чем больше эта разность, тем больше будет ускорение поезда. Сопротивление движению, как уже было отмечено, величина переменная, зависящая от скорости. С увеличением скорости она возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, то ускоряющая сила тяги будет умень
16
шаться. Затем наступит такой момент, когда F=W, и поезд под током будет двигаться с постоянной скоростью (участок кривой аб, рис. 4).
Далее машинист может отключить двигатели, т. е. осуществлять движение на выбеге (участок бв). В этом режиме движения на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая скорость поезда, если он не движется по крутому спуску. От точки в до точки г на поезд действуют две силы — сопротивление движению W и тормозная сила В, скорость поезда будет снижаться. Сумма сил В и W называется замедляющей силой. Может быть и такой случай движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.
5.	Из истории электрификации железных дорог нашей Родины
Электрическая тяга не нашла применения на железных дорогах царской России, несмотря на то, что русские инженеры разработали ряд оригинальных проектов электрификации транспорта. Только после победы Великой Октябрьской социалистической революции были созданы необходимые условия для электрификации народного хозяйства нашей Родины.
По инициативе В. И. Ленина в начале 1920 г. была создана комиссия ГОЭЛРО — по составлению Государственного плана электрификации России. К работам комиссии ГОЭЛРО было привлечено свыше 200 крупнейших представителей русской науки и техники. Возглавлял комиссию Г. М. Кржижановский — соратник В. И. Ленина. Коллектив ученых в сравнительно короткий срок ко времени созыва VIII Всероссийского съезда Советов, проходившего в Москве 22—29 декабря 1920 г., подготовил огромный по широте и глубине вопросов план ГОЭЛРО.
В своем выступлении на съезде В. И. Ленин охарактеризовал план как вторую программу партии.
Значительное внимание авторы плана ГОЭЛРО, среди которых были и лучшие специалисты Народного Комиссариата Путей Сообщения (НКПС), уделили развитию железнодорожного транспорта. В разделе плана ГОЭЛРО «Электрификация и транспорт» связь электрификации железных дорог с электрификацией страны была определена следующими положениями:
«Постройка централей, питающих электрическим током не только дорогу, но и всю округу, явится сильнейшим стимулом к росту производств вдоль линии, устанавливая, таким образом, теснейшую связь между транспортом и производством.
17
Таким образом, электрическая сверхмагистраль обращается в широкую культурную полосу, по оси которой движется мощный поток товаров»1.
Прошло 10 лет после утверждения плана ГОЭЛРО, и в 1931 г. производство электроэнергии в СССР достигло 10,7 млрд. кВт-ч (в 1913 г. 2 млрд. кВт-ч); страна могла часть этой электрической энергии выделить для электрических железных дорог.
Первым был электрифицирован на постоянном токе напряжением 1200 В участок Баку — Сабунчи. Протяженность его составила 13 км. В 1929 г. началось движение пригородных электропоездов на участке Москва — Мытищи, затем в 1930 г. от Мытищ до Пушкино и Щелково.
Эти участки были электрифицированы по системе постоянного тока напряжением 1500 В.
Почетное задание сконструировать и построить первый советский электровоз было дано в начале 30-х годов Московскому электромашиностроительному заводу «Динамо» совместно с Коломенским машиностроительным заводом тяжелого машиностроения.
Вся страна с напряженным вниманием следила за выполнением почетного задания. Редакция газеты «Правда» создала на заводе постоянный пост. Заметки с «Динамо» печатались ежедневно. 6 ноября 1932 г. к 15-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции из ворот завода вышли два первых советских электровоза (рис. 5). По предложению динамовцев новым электровозам была присвоена серия ВЛ — Владимир Ленин. Первенцы — электровозы ВЛ19 обладали солидной мощностью 2040 кВт.
К этому времени был электрифицирован участок железной дороги на Сурамском перевале от станции Хашури до Зестафони протяженностью 63 км. На этом исключительно сложном участке с крутыми подъемами, уклонами и кривыми малого радиуса паровозы водили поезда двойной тягой и с толкачами в хвосте. Здесь успешно выдержали экзамен первые советские электровозы.
В последующие годы железные дороги электрифицировали там, где паровозы не могли справляться с перевозками. На электрическую тягу переводили отдельные наиболее грузонапряженные участки, пригородные линии с большим потоком пассажиров, участки с тяжелым профилем, линии, проходящие в местностях с суровым климатом.
С 1926 по 1950 г. протяженность электрических железных дорог возросла более чем на 3000 км. В пятом пятилетии (1951 — 1955 гг.) темпы электрификации железных дорог несколько возросли. Начался переход от электрификации отдельных участков к электрификации це
1 План электрификации РСФСР. Доклад VIII съезду Советов Государствеииой комиссии по электрификации России. Изд. 2-е, М., Госполитиздат, 1955, с. 142.
18
лых направлений. В результате этого действующая сеть электрических железных дорог к началу шестого пятилетия составила 5360 км. Ежегодный прирост электрифицированных линий достигал 400 — 600 км. Таких темпов в то время не знала ни одна страна за рубежом.
Придавая огромное значение делу электрификации железных дорог, ЦК КПСС и Совет Министров СССР в 1956 г. приняли решение «О генеральном плане электрификации железных дорог», рассчитанном на 15 лет. Этим планом намечалось электрифицировать многие важнейшие железные дороги. Резко возросли темпы электрификации железных дорог: с нескольких сотен километров до 2300 км в отдельные годы.
«После того как в 1956 г. был утвержден Генеральный план электрификации железных дорог, появились не имеющие себе равных по протяженности и провозной способности электрифицированные магистрали Москва—Байкал—Петровский Завод, Ленинград—Тбилиси с ответвлениями на Баку и Ереван, Москва—Севастополь, Москва—Киев— —Львов—Чоп С завершением перевода на современную тягу последнего из перечисленных направлений создана сплошная высокоэффективная трасса между Советским Союзом и ЧССР Это является практическим осуществлением Комплексной программы социалистической экономической интеграции стран — членов СЭВ по развитию сотрудничества в области транспорта
Сегодня дешевая энергия сибирских исполинов — Красноярской
Рис. 5. Первенец отечественного электровозостроения — электровоз ВЛ19.
19
и Братской гидроэлектростанций — движет тяжеловесные составы и скоростные экспрессы по великому пути и «предтече» Байкало-Амурской магистрали — линии Тайшет—Лена...
...Последовательный перевод стальных магистралей на прогрессивные виды тяги дает огромный технико-экономический эффект. Это можно проиллюстрировать такими цифрами: за период осуществления технической реконструкции дорог сэкономлено примерно 1,7 миллиарда тонн топлива, а эксплуатационные расходы уменьшились на 28 миллиардов рублей. Если предположить, что до сих пор на наших магистралях составы вели бы паровозы, то только в нынешнем году в их топках потребовалось бы израсходовать треть добываемого в стране каменного угля»1.
Широкая электрификация железных дорог требует непрерывного пополнения локомотивного парка современными электровозами. Построить их не просто — нужны специальные, оснащенные по последнему слову техники заводы. В первой послевоенной пятилетке начал выпускать электровозы Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), а выпуск пригородных электропоездов освоили Рижский электромеханический завод (РЭЗ) и Рижский вагоностроительный завод (РВЗ).
В 1957 г. строительство мощных электровозов было налажено на
1 Б еще в Б. Транспорт и электрификация. «Правда», 1974 г., 2 октября, № 275 (205М), с 2
Рис. 6. Мощный восьмиосиый электровоз серии ВЛ80т
20
Тбилисском электровозостроительном заводе (ТЭВЗ). Кроме того, по плану взаимного сотрудничества в рамках Совета Экономической Взаимопомощи Чехословацкая социалистическая республика поставляет Советскому Союзу пассажирские электровозы.
Электровозы, работающие на дорогах нашей Родины, в зависимости от их конструкции и страны, где они построены, подразделяют на серии. В обозначения серии всех отечественных электровозов входят буквы ВЛ и затем цифры: например, ВЛ60, ВЛ80 — электровозы переменного тока соответственно шестиосные и восьмиосные; ВЛ8, ВЛ 10 — восьмиосные постоянного тока; ВЛ 19, ВЛ22, В Л 23 — шестиосные постоянного тока. Кроме того, в необходимых случаях добавляют буквы: м — модернизированный (например, ВЛ22М); п — пассажирский (ВЛ60п); к — с кремниевыми выпрямителями (ВЛ80к); р — с рекуперацией электрической энергии (ВЛ60р); т — с реостатным торможением (ВЛ80т).
Пассажирские электровозы, построенные на заводах Чехословакии, имеют в обозначении серии буквы ЧС, к которым добавляются цифры: ЧС2 — шестиосные электровозы постоянного тока, ЧС1 и ЧСЗ — четырехосные постоянного тока, ЧС4 — шестиосные переменного тока.
Серия электровозов переменного тока с ртутными выпрямителями, поставленных из Франции, обозначена буквой Ф, а электровозы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями, приобретенные в ФРГ, имеют буквенное обозначение серии К (с кремниевыми выпрямителями). В настоящее время электровозы этих серий модернизируются.
Кроме того, на участках, где стыкуются системы постоянного и переменного тока, эксплуатируются электровозы двойного питания. Они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе — шестиосные ВЛ61Д (двойное питание), восьмиосные ВЛ82 и ВЛ82М.
Современные электровозы обладают большой мощностью. Так, отечественный электровоз серии ВЛ80т (рис. 6), которому присвоен государственный Знак качества, развивает мощность 6520 кВт.
Основные данные отечественных электровозов приведены в приложении 1.
II
УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В СХЕМАХ, ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ
И ЧТЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
1. Условные графические обозначения в схемах
Электровоз имеет разнообразное электрическое оборудование — от мощных электрических тяговых двигателей до очень чувствительных электрических аппаратов и приборов. Устройству и действию электрического оборудования электровозов в настоящей книге будет уделено наибольшее внимание. При этом краткости изложения, его доступности и ясности во многом будут способствовать, как и в любой технической книге, иллюстрации (рисунки). Недаром говорят, что чертеж — это язык техники. Но не всегда необходимо для понимания принципа устройства и действия того или иного электротехнического изделия или какого-либо механизма изображать его точно в таком виде, какой оно имеет в действительности. Довольно часто достаточно ограничиться условными схематическими изображениями тех или иных устройств. Поэтому прежде чем перейти к описанию различного оборудования электровозов, познакомимся с условными графическими изображениями. Это поможет в дальнейшем более просто и сжато рассказать об устройстве и работе электровозов. Для нашей книги наибольший интерес будут представлять условные графические обозначения, принятые в электрических схемах.
Условные графические обозначения не выбираются по желанию и вкусу исполнителя или потребителя, а устанавливаются государственными общесоюзными стандартами (ГОСТами), чтобы люди, встречающиеся в процессе работы с такими условными изображениями, могли легко понять их.
Стандарты, в том числе и на условные графические обозначения, с развитием техники систематически пересматриваются. Отвечая на указание партии и правительства о широком внедрении научной организации труда в сфере управления производством и инженерной подготовки производства, Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР создал единую систему конструкторской документации (ЕСКД). В этой работе принимал участие авторский коллектив, состоявший примерно из 200 специалистов, представлявших более 30 различ
22
ных научно-исследовательских и конструкторских коллективов страны.
В комплекс стандартов ЕСКД входит около 100 ГОСТов, в том числе и на условные графические обозначения в электрических, пневматических и кинематических схемах. Все ГОСТы имеют номера, присвоенные им по определенной системе. Условные графические обозначения в электрических схемах определяются ГОСТ 2. 721—68, ГОСТ 2.748—68, ГОСТ 2.750—68, ГОСТ 2.751 — 68; в гидравлических и пневматических сетях — ГОСТ 2. 780—68; в кинематических схемах — ГОСТ 2. 770—68. До введения ГОСТов ЕСКД на условные графические обозначения в электрических схемах был обязателен ГОСТ 7624—62 и еще ранее ГОСТ 7624—55.
При выборе условных графических обозначений стремятся к тому, чтобы они по возможности выражали наиболее характерные особенности изделия, были просты для запоминания, требовали бы минимальных затрат времени для вычерчивания, учитывали принятые международные обозначения. Например, генераторы, электродвигатели и другие электрические машины имеют вращающиеся цилиндрические части (статор, ротор), поэтому в основу их условного обозначения положена окружность. Электрические машины постоянного тока характеризуются наличием щеток, скользящих по коллектору. Чтобы отразить это, в их условные обозначения введены два зачерненных прямоугольника, касающихся окружности.
Как уже отмечено, графические условные обозначения по возможности стремятся упростить, для того чтобы их легче было выполнять и запоминать. На рис. 7 показано, как постепенно упрощалось, например, изображение катушки индуктивности.
В приложении 2 приведена таблица условных графических изображений, которые использованы в электрических схемах книги, составленная на основании соответствующих ГОСТов ЕСКД. Условные графические обозначения, разработанные в ГОСТах для кинематических, пневматических и гидравлических схем, в нашей книге используются сравнительно редко. Поэтому они не приведены в приложении 2.
Чтобы оценить, насколько упрощается выполнение рисунков при использовании условных графических обозначений без ущерба для
jtCWwh
—оят— —тгг—	——
1910 г	1955 г	1968 Г
Рис. 7. Постепенное упрощение условного обозначения катушки индуктивности
23
понимания принципа действия, например, зубчатого редуктора, вернемся к рис. 3. На нем изображен редуктор, состоящий из двух зубчатых колес, которые показаны образующими линиями в соответствии с ГОСТ 2.770—68. Конечно, можно было бы показать на этом рисунке зубчатые колеса в натуральном виде, однако это не способствовало бы лучшему пониманию принципа действия редуктора, но зато значительно бы усложнило без надобности выполнение рисунка.
Безусловно в тех случаях, когда нужно разъяснить не только принцип действия какой-либо машины или механизма, условное графическое изображение не заменит чертеж или объемный рисунок (см., например, рис. 5 и 6).
2. Электрические схемы
Электрическая схема — это чертеж, на котором с помощью условных графических обозначений без соблюдения масштаба, в отличие от машиностроительных и строительных чертежей, изображены электрические цепи.
Напомним, что любая электрическая цепь состоит из источников электроэнергии и ее потребителей. Кроме того, в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения всей цепи или отдельных ее участков и потребителей, измерительные приборы, устройства защиты и другие аппараты.
Электрические цепи современных электроизделий, в том числе и электровозов, содержат много электрических машин, аппаратов и приборов, т. е. современные электроизделия настолько сложны, что ни изготовить, ни наладить, ни эксплуатировать, ни ремонтировать их без соответствующих чертежей — схем нельзя.
До недавнего времени не было общепринятой классификации схем. Теперь в ЕСКД есть ГОСТ 2. 701—68 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению», который устанавливает виды и типы схем изделий всех отраслей промышленности. ГОСТ 2. 701—68 подразделяет схемы на виды: электрические, гидравлические, пневматические и кинематические. Нас интересуют в пределах задач этой книги электрические схемы и в некоторой степени пневматические и кинематические.
В соответствии с ГОСТ 2. 701—68 в зависимости от назначения электрические схемы разделяют на типы: структурные, функциональные, принципиальные (полные), соединений (монтажные), расположения и др. В дальнейшем будут рассмотрены в основном принципиальные схемы и частично структурные. Принципиальная схема дает представление об основном оборудовании электротехнического изделия, о том, как соединены друг с другом машины, аппараты, приборы, из ко
24
торых оно состоит, о принципе действия изделия. Соединительные провода на принципиальных схемах по возможности изображают прямыми линиями с наименьшим числом пересечений.
Схемами соединений (монтажными) пользуются при монтаже электротехнических изделий, когда необходимо точно знать, как разместить все оборудование, как проложить и подключить провода, жгуты, кабели, которыми осуществляются соединения, а также места их присоединения.
Оборудование большинства сложных электрических изделий делят на первичное и вторичное. К первичному относят оборудование, по которому проходит силовой электрический ток от источников электрической энергии к потребителям. Электрические схемы, на которых показаны цепи первичного оборудования, называют схемами первичной коммутации. На электровозах к первичному оборудованию относятся тяговые двигатели и аппараты, включенные в их цепь. Схемы первичной коммутации электровозов называют схемами силовой цепи.
Ко вторичному оборудованию электроизделий относятся различные реле, измерительные приборы, кнопки и ключи управления. С их помощью осуществляется управление первичным оборудованием и контроль за его работой. Электрические схемы, на которых изображены цепи вторичного оборудования, называют схемами вторичной коммутации. В электровозах такие схемы называют схемами цепей управления.
Кроме этого, на электровозах имеются высоковольтные электрические цепи вспомогательных машин и отопления, а следовательно, составляются соответствующие схемы.
По исполнению принципиальные схемы могут быть совмещенными и разнесенными. В совмещенных схемах машины, аппараты и приборы изображают собранными со всеми относящимися к ним обмотками и контактами. Электрические связи между отдельными элементами показывают линиями. Такие схемы наглядны только при рассмотрении несложных электрических установок. При большом количестве связей схема получается запутанной и ее трудно читать. Поэтому обычно при изучении сложных электротехнических изделий, в том числе и электровозов, пользуются разнесенными схемами. В разнесенных схемах все контакты и обмотки аппаратов, машин и приборов изображены отдельно и соединены друг с другом в последовательности, соответствующей прохождению тока.
Для того чтобы ясно представлять себе, как работает электровоз, умело его эксплуатировать, при необходимости быстро находить ту или иную неисправность и устранять ее, нужно научиться разбираться в электрических схемах, или, как говорят, читать их. Так же как и книгу, схему начинают читать с ее названия. Затем определяют, какие
25
аппараты и машины входят в электрические цепи, изображенные на схеме. Для этого необходимо знать их условные обозначения, о которых было рассказано в предыдущем параграфе.
Принципиальные схемы вычерчивают для изделий, находящихся в отключенном положении. Это очень важное условие, так как, например, одни контакты аппаратов, если обмотки последних обесточены, по условиям работы электровоза должны быть разомкнуты, а другие замкнуты. Если же ток проходит по обмоткам аппарата, то разомкнутые контакты наоборот будут замкнуты, а замкнутые — разомкнуты. Контакты, которые замыкают те или иные электрические цепи при прохождении тока по обмоткам аппаратов, называются замыкающими. Наоборот, если в этих же условиях контакты размыкают электрические цепи, их называют размыкающими. Условное обозначение замыкающих и размыкающих контактов показано в пп. 31, 32 приложения 2. Контакты на схемах изображают при отсутствии внешних принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты.
ГОСТом 2.725—68 предусмотрены правила изображения разнесенным способом подвижных частей замыкающих и размыкающих контактов реле, кнопок, выключателей. Их изображают, учитывая следующее: сила, действующая на подвижную часть контакта для срабатывания, должна иметь направление на схеме сверху вниз при горизонтальном изображении цепей схемы и слева направо при вертикальном изображении. Некоторые переключатели, как мы далее убедимся, не имеют отключенного положения. Поэтому их изображают на схеме в одном из положений, принимаемом за исходное, что специально оговаривают.
Выяснив, какое оборудование изображено на схеме, еще нельзя считать, что схема прочитана. Для того чтобы прочитать ее, т. е. понять, как работает рассматриваемая цепь, нужно знать основные законы электротехники, последовательность чтения схемы, уметь проверять правильность сделанных предположений. Необходимо также иметь ясное представление о том, как устроены и работают аппараты и машины, включенные в цепь, и о многом другом в зависимости от назначения и сложности цепи, изображенной на схеме. Начиная читать схему, определяют пути прохождения тока, устанавливают, как при этом работают машины и аппараты, входящие в цепь.
Отправной точкой при определении путей тока в схемах установок постоянного тока чаще всего служит положительный полюс источника питания, а конечной — его отрицательный полюс. В установках переменного тока началом цепи обычно считают одну из фаз питающей сети, а концом — какую-либо другую фазу или нулевой провод.
Для начала проиллюстрируем сказанное на примере рис. 2, где, показаны в натуральном виде главные сооружения и оборудование,
26
Рис. 8. Схема электроснабжения электрифицированной железной дороги переменного тока
обеспечивающие электроснабжение электрифицированной дороги. Изготовление такого рисунка сопряжено со многими неудобствами: сложностью изображения, трудностью размещения отдельных элементов на рисунке. Кроме того, в данном случае, не решена полностью главная задача — наглядно показать путь прохождения тока от тяговой подстанции к потребителю (электровозу) и обратно к подстанции.
Используя соответствующие условные графические обозначения, можно тот же рис. 2 показать в виде электрической схемы (рис. 8). Изображенная на рис. 8, а схема соответствует рис. 2 до первичной обмотки тягового трансформатора. Далее от вторичной обмотки тягового трансформатора схема изображена применительно к энергоснабжению электрифицированной железной дороги на переменном токе. В этой части электрические соединения показаны более подробно. Фазы А и В вторичной обмотки трансформатора соединены со сборными шинами тяговой подстанции, а третья фаза С — с рельсами. Шина А через высоковольтный выключатель ВВ и питающую линию присоединена к участку контактной сети. Высоковольтный выключатель выполняет те же функции, что и быстродействующий выключатель на подстанциях постоянного тока. О принципиальных различиях этих аппаратов будет рассказано ниже. Токопрохождение показано на рис. 8, а стрелками.
В соответствии с ГОСТами ЕСКД разрешается провода, шины, кабели и вообще любые линии электрической связи изображать одной линией (рис. 8, б) вместо нескольких, например, трех, как показано на рис. 8, а, если эти линии электрической связи имеют одно и то же назначение. Такая схема называется однолинейной. Число черточек
27
Рис. 9. Упрощенная силовая схема электровоза постоянного тока
на линиях электрической связи однолинейной схемы указывает число проводов. Если нужно показать отдельные участки схемы более подробно, то выполняют их многолинейное изображение (см. рис. 8, б участок после вторичной обмотки тягового трансформатора).
Отметим еще одно важное обстоятельство. Условные графические обозначения состоят из простей
ших геометрических фигур, сплошных, штриховых, пунктирных линий и точек. Их сочетание по системе, установленной стандартом, позволяет изобразить: электрические машины, аппараты, приборы и их составные части (обмотки, контакты и тп.); провода, шины, кабели, виды соединения обмоток и т. д. Однако мо-
гут возникнуть затруднения при чтении схем, так как, например, об-
мотки любых реле и контакторов, контакты разных аппаратов, различные рубильники и автоматические выключатели, а также другое оборудование имеют соответственно одинаковое изображение. Поэтому необходима условная маркировка, которая позволила бы отличить различные аппараты, установить принадлежность деталей (катушек, контактов) тому или иному элементу схемы.
Под элементом схемы понимают составную часть схемы, которая
выполняет определенную функцию в изделии и не может быть разделена на части, имеющие самостоятельное функциональное назначение: например, резистор, измерительный прибор, двигатель, реле, контактор, разрядник и т. п. В соответствии с ГОСТ 2.701—68 каждый элемент, входящий в изделие и изображенный на схеме, должен иметь буквенно-цифровое позиционное обозначение (схемную маркировку).
Рис. 10. Упрощенная силовая схема электровоза переменного тока
Буквенная маркировка представляет собой сокращенное название элемента, составленное из его начальных или характерных букв, например, трансформатор Тр, реле Р, главный выключатель ГВ.
Буквенная маркировка наиболее распространенных элементов установлена ГОСТ 2.702—69.
Так как в одной и той же принципиальной электрической схе-
ме имеется, как правило, несколько однотипных элементов, чтобы их
28
различить, последним присваивают порядковые номера; Pl, Р2 и т. д. Порядковые номера элементов и их буквенные обозначения выполняют одинаковым размером шрифта. Если в изделии есть неповторяющийся элемент (один двигатель, один резистор), то порядковый номер не указывают. Можно выполнять схемы только с цифровой маркировкой, представляющей сквозную нумерацию, начиная с единицы.
При вычерчивании условного графического обозначения элемента разнесенным способом маркировку, присвоенную элементу, проставляют около каждой его составной части.
Например, если какому-либо аппарату присвоен определенный номер или буквенно-цифровая маркировка, то все его контакты, разнесенные по схеме, будут иметь этот же номер или это же буквенно-цифровое обозначение. В тех случаях, когда в нашей книге приводятся заводские схемы, в них сохранена маркировка, принятая заводом-изготовителем.
Маркировка играет очень важную роль. Без маркировки нельзя прочитать схемы; неправильно выполненная маркировка или неправильно понятая может повлечь за собой опасные последствия. Кроме маркировки элементов, входящих в изделие, ГОСТ 9099—59 устанавливается система маркировки цепей в электрических изделиях.
Выше было отмечено, что электрическое оборудование электровозов, работающее под высоким напряжением, объединено в две цепи, одна из которых называется силовой. Простейшее изображение электрической силовой цепи электровоза постоянного тока приведено на рис. 9, а электровоза переменного тока — на рис. 10. Эти весьма упрощенные схемы силовых цепей выполнены с использованием условных графических обозначений, приведенных в приложении 2.
Для определения путей прохождения тока в силовых цепях электровозов за отправную принимают точку соприкосновения токоприемника и контактного провода. Это справедливо для схем электровозов и постоянного и переменного тока. Однако, какие аппараты, включенные в силовую цепь, будут срабатывать при прохождении тока и какие при этом будут производить действия, нельзя сказать, не зная их назначения и устройства. Значит прочитать схему практически невозможно. Поэтому необходимо предварительно познакомиться с устройством и работой аппаратов и машин, включенных в силовые цепи.
Отметим, что срабатывание любого аппарата силовой цепи электровоза всегда оказывает то или иное действие на работу тяговых двигателей — осуществляется их пуск, регулируется частота вращения, изменяется направление вращения (реверсирование), производится переключение в режим рекуперации и т. д. Следовательно, прежде всего надо знать, как устроены и действуют тяговые двигатели, разобраться в их свойствах (характеристиках).
Ill
ТЯГОВЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
1.	Какому двигателю отдать предпочтение?
Тяговые двигатели электровозов работают в очень сложных и тяжелых условиях.
Прежде всего нагрузки на тяговые двигатели меняются в самых широких пределах: двигатели должны развивать значительную силу тяги во время трогания поезда с места; нагрузка их может сильно возрасти в пути при преодолении крутых подъемов, следовании по кривым и т. п.
Кроме того, как уже отмечалось, величина основного сопротивления движению поезда непостоянна и зависит от его скорости, что также ведет к изменению условий работы тяговых двигателей. С точки зрения организации движения желательно, чтобы поезда независимо от изменения условий движения, например, профиля пути, силы ветра перемещались с почти постоянной скоростью, т. е. двигатель имел так называемую жесткую тяговую характеристику1 (рис. 11, а).
Но при этом мощность, потребляемая двигателями, например, на крутых подъемах возрастала бы пропорционально увеличению силы тяги (ViFi значительно меньше v2F2, рис. 11, а). Резкое увеличение потребляемой мощности вызовет необходимость постройки более мощных тяговых подстанций, увеличения сечения контактной подвески, что связано с большими затратами денежных средств и дефицитных материалов. Чтобы избежать этого, стремятся обеспечить характеристику двигателя, при которой с увеличением сопротивления движению поезда автоматически снижалась бы его скорость, — так называемую мягкую характеристику (рис. И, б). Она имеет вид кривой, называемой гиперболой. Двигатель с такой тяговой характеристикой работал бы при неизменной мощности (vlFl=v2F2). Однако при движении тяжелых составов на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда перемещались бы с очень низкой скоростью, тем самым резко огра
1 Тяговая характеристика локомотива, представленная графически или в виде таблицы, показывает зависимость силы тяги от скорости движения локомотива с составом.
30
ничивая пропускную способность участка железной дороги. Примерно такой характеристикой обладают тепловозы, так как мощность их тяговых двигателей ограничена мощностью источника энергии — дизеля, установленного на локомотиве. Сказанное справедливо и для паровой тяги, где мощность паровой машины ограничивается паропроизводи-тельностью котла.
Мощность, развиваемая тяговыми двигателями электровоза, практически не ограничена мощностью источника энергии. Ведь электровоз черпает энергию через контактную сеть и тяговые подстанции от энергосистем, обычно обладающих огромными мощностями, не соизмеримыми с мощностью электровозов.
Поэтому при создании тяговых двигателей электровозов стремятся получить характеристику, показанную на рис. 11, б штриховой линией. Электровоз, оборудованный двигателями с такой характеристикой, может развивать значительную силу тяги при сравнительно высокой скорости. Конечно, при этом тяговые двигатели потребляют повышенную мощность (v'2F? несколько больше ^2^2), но резко не перегружают питающую систему.
В настоящее время наибольшее распространение получили электрические двигатели двух видов: переменного тока — трехфазные асинхронные и постоянного тока — коллекторные с различными способами возбуждения. Какой же из них может обеспечить тяговую характеристику, изображенную на рис. 11, б?
Трехфазные асинхронные двигатели самые распространенные. Достоинства их трудно переоценить: простота устройства и обслуживания, большая надежность, низкая стоимость, несложный пуск. Но, как известно, частота вращения асинхронного двигателя почти постоянна, не зависит от нагрузки, она определяется частотой подводимого
Скорость движения v
Рис. 11 Жесткая (а) и мягкая (б) тяговые характеристики
31
Рис. 12. Способы возбуждения двигателей постоянного тока
тока и числом пар полюсов двигателя. Поэтому регулировать частоту вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и скорость движения поездов можно только изменением частоты питающего тока и числа пар полюсов, что сложно осуществить. Кроме того, как уже отмечалось выше, для питания таких двигателей требуется устройство сложной контактной сети. Поэтому асинхронные двигатели почти не используются для целей тяги.
Посмотрим, в какой степени отвечают требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям, электрические машины постоянного тока. Предварительно напомним, что эти машины — генераторы и двигатели — различаются по способу их возбуждения.
Обмотки возбуждения могут включаться параллельно обмотке якоря (рис. 12, а) и последовательно с ней (рис. 12, б). Соответственно такие двигатели называют двигателями с параллельным возбуждением (устаревшее название — шунтовые) и последовательным (сериесные). Используют также двигатели, у которых имеются две обмотки возбуждения: параллельная и последовательная, создающие смешанную систему возбуждения. Их называют двигателями смешанного возбуждения. Если обмотки включены согласно, т. е. создаваемые ими магнитные потоки складываются (рис. 12, в), то такие двигатели называют двигателями согласного возбуждения (компаундные); если потоки вычитаются, то имеем двигатели встречного возбуждения (про-тивокомпаундные). Применяют и независимое возбуждение: обмотка возбуждения питается от постороннего источника энергии (рис. 12, г).
Режим работы двигателя постоянного тока определяется следующими величинами: подведенным напряжением U, током якоря I, частотой вращения вала двигателя п, вращающим моментом М, коэффициентом полезного действия т) и полезной мощностью Р. Зависимости этих величин друг от друга называют характеристиками двигателя. Их изображают графически или показывают в виде таблиц.
В науке о тяге поездов из этого семейства характеристик выделяют так называемые электромеханические характеристики на валу тягового двигателя. К ним относятся зависимости частоты вращения п (скоростная характеристика), вращающего момента М и коэффициента
32
полезного действия т| от тока якоря I при неизменном напряжении U, подводимом к двигателю.
Для того чтобы показать, какой способ возбуждения двигателей постоянного тока обеспечивает наиболее приемлемую тяговую характеристику, познакомимся с характеристиками скоростной и вращающего момента. Предварительно напомним, что при вращении в магнитном поле проводников обмотки якоря двигателя в них индуктируется электродвижущая сила (э. д. с.). Направление э. д. с. определяется известным правилом правой руки. Ток, проходящий по проводникам якоря от источника энергии в двигателях, направлен навстречу индуктируемой э. д. с. и поэтому ее иногда применительно к двигателям называют про-тиво-э. д. с. Следовательно, напряжение U, приложенное к якорю двигателя, в любое мгновение должно быть больше индуктируемой в его обмотке суммарной э. д. с. Е. По закону равновесия электродвижущих сил можно написать, что
U = Е + 1г, где / — ток якоря;
г — сопротивление обмотки якоря.
Значение э. д. с. Е зависит от величин магнитного потока и скорости, с которой проводники пересекают магнитные силовые линии, т. е.
Е = сФп,
где с — коэффициент, учитывающий параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников и т. п.) и размерности величин, входящих в формулу;
Ф — магнитный поток;
п — частота вращения якоря двигателя.
Тогда
U = сФп + 1г,	(а)
откуда
Формула (1) определяет зависимость между частотой вращения и током якоря при постоянной величине приложенного напряжения.
Установим зависимость вращающего момента от тока якоря. Известно, что если проводник с током находится в магнитном поле, то возникает механическая сила f (рис. 13), стремящаяся вытолкнуть его из магнитного поля. На каждые два проводника, находящихся в диаметрально противоположных точках якоря, действуют выталкивающие силы, равные по величине, но направленные в противоположные сторо-2-1773	33
Рис. 13. Образование вращающего момента двигателя
пои оазных способах
ны. Вращающий момент, созданный парой сил, например, fi будет равен faD, где D — диаметр якоря. Общий вращающий момент представляет собой сумму вращающих моментов, создаваемых каждой парой сил двух проводников обмотки якоря, расположенных на диаметрально противоположных точках его окружности: fiD+fzD+...-\-fnD. Силы f тем больше, чем значительней ток / и магнитный поток Ф.
Вращающий момент, создаваемый двигателем, определится как
М=см I Ф,	(2)
где См — коэффициент, учитывающий размерность величин, входящих в формулу, число проводников обмотки якоря и другие параметры двигателя.
Из формулы (2) видно, что вращающий момент не зависит от подведенного напряжения.
Рассмотрим, как изменяются частота вращения п и момент М в зависимости от тока I возбуждения двигателей. С увеличением нагруз
ки двигателей, например, в случае преодоления подъема при неизменном напряжении U, будет возрастать и ток якоря, так как для преодоления дополнительной нагрузки двигатель должен развивать большую мощность; как известно, P—UI. Для двигателей с параллельным возбуждением можно считать, что ток возбуждения не изменяется с изменением нагрузки. Следовательно, не изменяется и его магнитный поток1. Так как сопротивление г обмотки якоря невелико (оно обычно составляет несколько сотых долей ома), то в формуле (1) будет незначительно возрастать произведение 1г при постоянных V и Ф. Это значит, что частота вращения двигателя с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки несколько уменьшается (рис. 14). Вращающий момент будет возрастать пропорционально увеличению юка, что графически изображается прямой линией, проходящей через начало координат (см. рис. 14) без учета потерь на трение.
Примерно такие же характеристики имеют двигатели с независимым возбуждением, если не изменяется ток возбуждения.
Рассмотрим те же характеристики для двигателей с последовательным возбуждением (см. рис. 12, б). Здесь магнитный поток созда
1 В действительности магнитный поток немного уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря.
34
ется током двигателя. Частота вращения якоря, как видно из формулы (1), обратно пропорциональна потоку и с увеличением тока двигателя I, а тем самым и магнитного потока Ф резко уменьшается. Вращающий момент двигателя при этом, наоборот, сильно возрастает, так как одновременно увеличиваются ток и зависящий от него магнитный поток возбуждения (рис. 15).
Если нагрузка на двигатель увеличится значительно, ток двигателя возрастет до такой степени, что наступит насыщение магнитной системы двигателя. Это приведет к тому, что частота вращения двигателя будет снижаться уже в меньшей степени. Но тогда начнет более ин-
тенсивно возрастать ток, а значит и потребляемая из сети мощность. При этом скорость движения поезда несколько стабилизируется.
По двум известным электромеханическим характеристикам двигателя — скоростной и вращающего момента — можно построить его тяговую характеристику. Для этого берут ряд значений тока и определя-
ют по характеристикам соответствующие им частоту вращения и вращающий момент. По частоте вращения несложно подсчитать скорость
движения поезда при известном передаточном числе редуктора и диаметре круга катания колесной пары. Зная вращающий момент, как уже было объяснено выше (см. стр. 15), подсчитывают силу тяги, развиваемую одной, а затем и всеми колесными парами электровоза. По полученным данным строят тяговую характеристику. Но и без построе-
ния тяговой характеристики очевидно, что двигатель с последователь-
ным возбуждением имеет мягкую характеристику. Поэтому на электрических железных дорогах в качестве тяговых в подавляющем большинстве случаев используют двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.
Тяговые двигатели последовательного возбуждения имеют и другие преимущества по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Они, например, менее чувствительны к колебаниям напряжения, возникающим в контактной сети.
Рис. 14. Электромеханические характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 15. Электромеханические характеристики двигателя с последовательным возбуждением
При постройке тяговых двигателей устанавливают допуски на точность изготовления, химический состав материалов для двигателей и т. п. Поэтому построить двигатели с абсолютно
2* 35
одинаковыми характеристиками практически невозможно. Так как на электровозе установлено несколько двигателей, то при их совместной работе вследствие различия характеристик они воспринимают неравные нагрузки. Более равномерно нагрузки распределяются между тяговыми двигателями последовательного возбуждения.
Однако тяговые двигатели последовательного возбуждения неспособны автоматически переходить на рекуперацию электрической энергии. Как этот недостаток устраняют, будет рассказано ниже.
В качестве тягового можно применять только такой двигатель, у которого сравнительно просто осуществить изменение частоты вращения и тем самым скорости движения поезда в широких пределах.
Как же можно регулировать частоту вращения двигателей постоянного тока? Чтобы ответить на этот вопрос, несколько упростим формулу (1). Так как электрическое сопротивление обмотки якоря невели-U п ко, то можно считать, что	• Следовательно, частоту вращения
вала двигателя постоянного тока можно регулировать, изменяя подводимое напряжение (прямая пропорциональность) или магнитный поток (обратная пропорциональность).
Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, состоит из следующих основных частей: якоря, щеткодержателей и щеток, остова, полюсов, подшипниковых щитов. Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределяются условиями работы. Размеры их ограничены габаритом — предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске и ударам при прохождении колесными парами неровностей пути, работают при температуре окружающей среды от +40 до —50°С, в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Очень трудно предотвратить проникновение в них пыли, влаги, снега.
Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких сложных условиях можно лишь при высоком уровне проектирования, правильном выборе конструкции и материалов, высоком качестве изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.
2.	Устройство якоря. Щетки и щеткодержатели
Якорь тягового двигателя (рис. 16, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.
Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 16, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака.
36
Я)
а)
Вал
Вентиля-" ииомные отверстия
Рис. 16. Якорь тягового двигателя
о ° о х/4 о 0 о о <
°о°2?о°0оЧ оЛЛо
ооо( ООО о0 О>о к О ОоО о / . 0^0 о о о < vT° о ° л
Проще, казалось бы, выполнить сердечник в виде сплошного стального цилиндра. Но так делать нельзя. Объясняется это тем, что когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником. Вследствие этого в стальном сердечнике индуктируются э. д. с. Величины этих э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения.
Под действием разности э. д. с., наведенных в сердечнике, возникают токи, которые называют вихревыми. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть очень значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.
Избежать разности наведенных э. д. с. при вращательном движении якоря невозможно. Остается одно — увеличить электрическое сопротивление сердечника. Собирая сердечник из отдельных листов толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малым сечением и, следовательно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее при плавке 1—1,5% кремния.
В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.
37
Валы якорей тяговых двигателей изготовляют из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют друг с другом в определенной последовательности с помощью так называемых лобовых соединений. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны располагаться друг от друга на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, тем самым образуя обмотку якоря. Таким образом, обмотка составляется из отдельных витков, называемых секциями.
Современные электрические машины постоянного тока, в том числе и тяговые двигатели, обычно делают многополюсными, т. е. они имеют не одну, а две, три и более пар полюсов. При этом проводники обмотки якоря электрической машины постоянного тока могут быть соединены двумя способами и в зависимости от этого получают обмотки двух типов — петлевую и волновую.
Показать обмотку якоря в виде чертежа в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюсы электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет наглядно показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников друг с другом и с пластинами коллектора, соединение секций.
Для получения петлевой обмотки (рис. 17, а) начало проводника 1 присоединяют к коллекторной пластине Г, а конец его соединяют с началом проводника 2. Конец проводника 2 присоединяют к пластине 2'. Проводники 1 и 2 образуют одну секцию, имеющую форму петли. Поэтому обмотка и получила название петлевой. Далее начало проводника 3 соединяют с пластиной 2', а конец — с проводником 4 и т. д., пока обмотка не замкнется, т. е. пока последний проводник не соединится с коллекторной пластиной 1'.
При полновой обмотке (рис. 17, б) начало проводника /, расположенного под северным полюсом первой пары полюсов, присоединяют к 38
Рис. 17. Петлевая (а) и волновая (б) обмотки якоря
коллекторной пластине 1', а конец — к проводнику 2 так же, как и в петлевой обмотке. Но затем, в отличие от петлевой обмотки, конец проводника 2 через соответствующую коллекторную пластину 2', расположенную уже не рядом с пластиной Г, соединяют с проводником 3, находящимся под северным полюсом следующей пары полюсов. Проводник 3 соединяют с проводником 4, расположенным под южным полюсом той же пары полюсов, и через коллекторную пластину с проводником 5, находящимся под северным полюсом первой пары полюсов, и так до тех пор, пока обмотка не замкнется.
Секция обмотки этого типа имеет форму волны, вследствие чего она и получила название волновой. В отличие от петлевой обмотки концы секции волновой обмотки присоединяют к несмежным коллекторным пластинам.
Петлевая и волновая обмотки, применяемые в тяговых двигателях, имеют свои преимущества и недостатки.
В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку.
В настоящее время в тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Кроме того, петлевая обмотка обеспечивает лучшую коммутацию, чем волновая. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник (см. рис. 16, б). В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки тяговых двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую — в нижнюю часть другого паза. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секций. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что позволяет организовать их массовое изготовление.
Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря обмотка под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно двумя способами: наложив бандажи на
39
цилиндрическую поверхность якоря или поставив клинья в пазы (рис. 18).
Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления.
Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, а поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых
двигателях. Но при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.
В настоящее время начинают широко применять бандажи из стекло-ленты, пропитанной клеющими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.
Производство новых прочных электроизоляционных материалов позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якоря, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность. При этом резко улучшается коммутация тяговых двигателей, уменьшается реакция якоря, снижаются стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.
Лобовые соединения обмотки крепят только бандажами.
Коллектор (рис. 19) одно из основных и наиболее ответственных устройств тягового двигателя постоянного тока. Коллектор наиболее нагружен в электрическом отношении и условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Диаметр коллектора современных тяговых двигателей достигает 1000 мм, а количество пластин более 600. Частота коммутации коллекторных пластин равна 13 000—15 000 в секунду.
Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Друг от друга их изолируют прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокой электрической прочностью, теплостойкостью и влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого ласточкина хвоста. Ласточкины хвосты пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень зажно.
40
Ведь к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти из очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить и двигатель может выйти из строя. То же самое произойдет при неточной обработке коллектора, образовании на его поверхности вмятин и выступов.
От коробки и нажимной шайбы
Нажимные шай5ы
коллекторные пластины изолируют, рис. jg Коллектор тягового двигателя прокладывая изоляционные манжеты и изоляционный цилиндр, изго-
товленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.
Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора углубляют — продороживают коллектор.
Щетки и щеткодержатели. Через щетки электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя. Щетки оказывают большое влияние на процесс коммутации. Поэтому очень важно правильно выбрать соответствующий материал для изготовления щеток и их конструкцию. Щетки для тяговых двигателей изготовляют из сажи, кокса,
антрацита, превращающихся при нагреве в электрической печи в искусственный графит. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износостойкими.
Щетки имеют такую ширину, при которой обычно одна щетка перекрывает несколько коллекторных пластин. Это ухудшает коммутацию двигателей вследствие возникновения э. д. с. взаимоиндукции (см. стр. 43). Однако, если ширину щеток и ширину коллекторных пластин сделать равными, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо создать достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой ширине, пришлось бы их удлинять, а это заставило бы удлинить коллектор. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза. Увеличение длины коллектора уменьшит длину сердечника якоря и про-
41
Рис. 20. Щеткодержатель тягового двигателя
водников обмотки в ущерб мощности двигателя. Возросли бы и затраты меди на двигатели.
Щеткодержателем (рис. 20) называют устройство, в котором устанавливают щетки. Щеткодержатель состоит из корпуса и кронштейна. Корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта сопри-
касающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны зубчатыми. Щеткодержатели должны
быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипни-
ковым щитам с помощью изоляторов.
Щетки прижимаются к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.
3.	Коммутация, реакция якоря
и роль дополнительных полюсов
В процессе вращения якоря двигателя витки его обмотки поочередно переходят из области взаимодействия с северным полюсом в область взаимодействия с южным, а затем снова с северным и т. д. В момент перехода из одной зоны в другую ток в витке уменьшается до нуля, а затем возрастает до прежнего значения, но изменив направление на противоположное.
Переход витка из области взаимодействия его с одним полюсом в область взаимодействия с другим называют коммутацией. Процесс коммутации может вызывать вредное явление — искрение под щетками, которое приводит к усиленному износу коллектора, а иногда, когда возникает сплошное искрение (круговой огонь), к серьезным повреждениям двигателя.
Рассмотрим, как протекает процесс коммутации. Известно, что в электрической цепи при изменении величины тока возникает электродвижущая сила самоиндукции, препятствующая изменению тока. Появление э. д. с. самоиндукции объясняется тем, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по проводнику, изменяется одновременно с соответствующим изменением тока. При этом изменя
42
ющееся магнитное поле индуктирует в проводнике э. д.с. самоиндукции. Направление э. д. с. самоиндукции таково, что она препятствует причине, ее вызвавшей, т. е. стремится поддержать первоначальный ток. Если ток уменьшается, то э. д. с. самоиндукции задерживает его снижение и, наооорот, при увеличении тока задерживает его рост.
Результат действия э. д. с. самоиндукции можно увидеть, например, при размыкании рубильников, когда в момент разрыва цепи в воздухе возникает электрическая дуга.
Действие э. д. с. самоиндукции подобно силам инерции в механике. Силы инерции тоже противодействуют всякому изменению скорости движущегося тела.
При коммутации витка обмотки якоря в момент, когда щетка сходит с коллекторной пластины, с которой соединен электрически коммутирующий виток, цепь размыкается и возникшая э. д. с. самоиндукции стремится поддержать прекращающийся ток. Но между неподвижной щеткой и быстро движущейся коллекторной пластиной сразу же появляется слой воздуха, который, как известно, обладает хорошими изоляционными свойствами. Если э. д. с. самоиндукции незначительна по величине, она не в состоянии ионизировать воздух, т. е. сделать его проводником. Когда же она велика, то слой воздуха пробивается и через него проходит электрический ток.
Кроме э. д. с. самоиндукции, есть еще причины, затрудняющие процесс коммутации в двигателе. Одна из них — э. д. с. взаимоиндукции. Как уже было отмечено, щетка перекрывает не одну, а несколько пластин коллектора, т. е. в процессе коммутации участвует одновременно несколько соседних витков; поэтому с изменением тока в коммутируемых витках переменные магнитные поля наводят не только э. д. с. самоиндукции в «собственных» проводниках, но и э. д. с. взаимоиндукции в соседних, действующую согласно с э. д. с. самоиндукции.
Затрудняет коммутацию и так называемая реакция якоря. Сущность реакции якоря заключается в следующем. Проходящий по проводникам обмотки якоря ток создает вокруг каждого проводника магнитный поток, направление силовых линий которого определяется известным из электротехники правилом буравчика. Магнитные потоки отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток якоря, направленный поперечно относительно оси полюсов. Поток якоря, накладываясь на магнитный поток обмоток возбуждения, искажает последний под полюсами двигателя, усиливая его с одной стороны и ослабляя с другой (рис. 21). Явление искажения магнитного потока возбуждения и называют реакцией якоря. Чем больше нагрузка двигателя, тем сильнее действие реакции якоря.
Вследствие искажающего влияния реакции якоря ось, по которой располагают щетки (ее называют геометрической нейтралью), попадает
43
Рис. 21. Искажение магнитного потока главных полюсов потоком реакции якоря
теперь в сферу действия магнитного потока. Поэтому коммутируемые витки пересекают магнитные силовые линии искаженного магнитного потока и в них индуктируются дополнительные э. д. с. Эти э'. п. с., так же как э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, нарушают нормальный процесс коммутации. Э. д. с. самоиндукции, взаимоиндукции и э. д. с., создаваемая реакцией якоря, складываются. Результирующую э. д. с. называют реактивной.
Как же добиться, чтобы при коммутации не возникало сильного искрения? В тяговых двигателях, так же как и в большинстве других двигателей постоянного тока, для этого устанавливают специальные магнитные полюсы. В отличие от главных полюсов, создающих магнитный поток возбуждения, их называют дополнительными. Магнитный поток, создаваемый дополнительными полюсами, должен быть направлен
так, чтобы в коммутируемых секциях наводилась э. д. с., равная реактивной и направленная навстречу ей. Реактивная э. д. с. по величине непостоянна. Она изменяется пропорционально току якоря. Э. д. с., создаваемая дополнительными полюсами, должна изменяться также. Это условие будет выполнено, если по обмотке дополнительных полюсов будет проходить тот же ток, что и по обмотке якоря. Поэтому обмотку якоря и обмотки дополнительных полюсов нужно соединить последовательно (рис. 22).
Кроме того, для улучшения процесса коммутации щетки делают из материала, создающего повышенное сопротивление контакта с коллектором. При этом в цепь тока, вызванного реактивной э. д. с., вводится дополнительное сопротивление, и он уменьшается.
Большое значение для обеспечения надежной коммутации двигателей имеет выбор величины напряжения между соседними коллекторными пластинами.
Коммутация двигателей протекает без искрения при напряжении между соседними коллекторными пластинами, не превышающем 30—32 В. Если допустить более высокое напряжение, то в момент разрыва скользящего контакта между щетками и сбегающими с них коллекторными пластинами возникнет искрение, так как более высокое напряжение будет пробивать воздушный промежуток.
Как уже отмечалось, реакция якоря с одной стороны полюса ослабляет магнитный поток возбуждения, с другой стороны его усиливает. В витках якоря, пересекающих область, где усилен магнитный по-44
ток возбуждения индуктируется повышенная э. д. с., как следствие этого возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами. Это напряжение увеличивается при перегрузках мощных тяговых двигателей, когда особенно сильно сказывается действие реакции якоря. В таких условиях между коллекторными пластинами может возникнуть круговой огонь — мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко обмотку якоря или большую часть ее. Это вызывает тяжелые повреждения двигателя.
Дополнительные полюсы сводят до минимума опасность возникновения только реактивной э. д. с., не компенсируя искажающее действие реакции якоря под главными полюсами. Поэтому в особо мощных двигателях по-
Рис. 22. Соединение обмоток якоря н дополнительных полюсов тяговых двигателей последовательно
стоянного тока выполняют компенсационную
обмотку. Эту обмотку располагают в пазах главных полюсов и соединяют ее последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой поток был направлен навстречу потоку реакции
якоря и устранял искажение потока под главными полюсами.
Разумеется, применение компенсационной обмотки усложняет как конструкцию двигателя, так и его обслуживание (ремонт, эксплуатацию). Поэтому возможность отказаться от этой обмотки при гладких якорях (см. стр. 40) является несомненным достоинством последних.
4.	Магнитная система. Изоляция тяговых двигателей
Магнитная система двигателей постоянного тока состоит из остова, главных и дополнительных полюсов.
Остов тягового двигателя (рис. 23) служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюсы. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.
В тяговых двигателях электровозов дорог, электрифицированных по системе переменного тока, часто делают магнитное ярмо составным: в массивный остов впрессовывают вставку, набранную из отдельных листов, наподобие якоря. Это объясняется тем, что пульсирующий выпрямленный ток на электровозе вызывает дополнительные потери в магнитной системе.
45
Рис. 23. Остов тягового двигателя
Рис. 24. Главный полюс тягового дви-
гателя
Рис. 25. Изоляция секции
Остову в поперечном сечении придают почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяет уменьшить объем двигателя, что очень важно для размещения его на электровозе. Иногда остовы делают восьмигранного или круглого сечения. Это позволяет уменьшить вес двигателя, но зато возрастает занимаемый им объем. Остов имеет горловины, через которые устанавливают полюсы, якорь и другие детали, а также окна для подвода и отвода охлаждающего воздуха. В процессе эксплуатации электровоза необходимо периодически проверять состояние коллектора. Для этого в остове имеются смотровые люки, надежно закрываемые крышками.
Выступы и приливы на вертикальных гранях остова служат для подвески тягового двигателя на электровозе.
Подшипниковыми щитами плотно закрывают горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В настоящее время применяют только роликовые подшипники качения, более надежные, чем шариковые, и подшипники трения скольжения. Роликовые подшипники не требуют частого пополнения смазки и постоянного ухода.
При вращении вала тягового двигателя смазка может выбрасываться из подшипников. Чтобы избежать этого, на валу устанавливают специальные устройства, предупреждающие разбрызгивание и
46
выбрасывание смазки, — лабиринтные маслоуплотнители. В результате отпадает необходимость частого пополнения смазки. Практически ее добавляют только при ремонте электровоза. Подшипниковые щиты также предохраняют части двигателя от загрязнения, предотвращают попадание в него влаги.
Главные полюсы представляют собой сердечники, на которые надеты катушки. Катушки обычно наматывают из медного прямоугольного провода в два слоя плашмя (рис. 24). Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Казалось бы, какой смысл это делать? Ведь по катушке сердечника проходит постоянный ток, который создает постоянный магнитный поток. Сам сердечник неподвижен, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы справедливо, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности зубцы и впадины сердечника якоря, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока. Поэтому в сердечнике полюса возникают вихревые токи.
Сердечник имеет довольно сложную форму для обеспечения необходимого распределения магнитного потока по поверхности якоря. Это проще выполнить при изготовлении сердечников также из отдельных листов Устройство сердечника главного полюса усложняется при наличии компенсационной обмотки. Ее размещают в пазах, выштампован-ных в сердечниках
Обычно тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две пары главных полюсов, за исключением электровоза ВЛ10, двигатели которого имеют по три пары полюсов. На электровозах с преобразователями, эксплуатируемых на дорогах переменного тока, тяговые двигатели имеют три пары полюсов, так как это улучшает коммутацию.
Дополнительные полюсы, так же как и главные, состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с., сравнительно невелик. Поэтому дополнительные полюсы делают меньшего размера, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому последние изготовляют сплошными. В тяговых двигателях с впрессованными вставками сердечники дополнительных полюсов штампуют заодно с листами, из которых собирают вставку.
Катушки дополнительных полюсов обычно наматывают из полосовой меди на узкое ребро в один слой. Лишь у некоторых тяговых двигателей применена намотка на широкое ребро в несколько слоев. Число дополнительных ‘полюсов равно числу главных.
Электрическая изоляция токоведущих частей имеет особое значение для надежной работы любого электрического устройства, в том числе и тяговых двигателей.
47
Изоляция должна помочь направить электрический ток не по кратчайшему пути, по которому он стремится пройти, а в нужном направлении, предупредить рассеяние и утечки электрической энергии, обеспечить безопасность работы обслуживающего персонала.
Изоляция тяговых двигателей подвергается значительному нагреву, действию влаги, перенапряжений, вибрации. Поэтому она должна обладать достаточными электрической и механической прочностью, быть на-грево- и влагостойкой. Нагревостойкость — один из решающих показателей качества изоляции. В зависимости от нагревостойкости все электроизоляционные материалы делят на семь классов. Класс изоляции обозначается буквами латинского алфавита. В соответствии с ГОСТом 2582—72 («Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические требования») для тяговых машин применяются 4 класса изоляции.
В тяговых двигателях электровозов используют изоляцию класса В. Изоляционные материалы этого класса изготовляют из слюды, асбеста и стеклянной пряжи. Для того чтобы связать изоляционные материалы в единое целое, применяют различные лаки и смолы. Изоляционные материалы, склеенные из слюды, называют микалентами, миканитами.
Рис. 26. Разрез тягового двигателя электровоза постоянного тока 48
Чем выше напряжение, приложенное к проводнику, тем более прочной должна быть его изоляция. Очень важно правильно выбрать толщину изоляции. Ведь с увеличением ее толщины затрудняется отвод тепла от проводника, изоляция может сильно нагреться и разрушиться. Температура допустимого нагрева изделий из слюды определяется теплостойкостью связующих лаков и смол.
В тяговых двигателях электровозов широко применяют также изоляцию более высокого класса (Н), где в качестве связующих и пропитывающих веществ используют кремнийорганические материалы — вещества, содержащие, кроме углерода, кремний. Перегрев кремнийорга-нической изоляции, т. е. разность между температурой изоляции и температурой окружающей среды, может достигать 180° у обмотки возбуждения, 160° у обмотки якоря, 105° у коллектора, а для изоляции класса В — соответственно 130°, 120° и 95°.
Применение изоляции высокого класса повышает надежность работы тяговых двигателей, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность и допускать более высокие температуры перегрева.
Что же изолируют в тяговых двигателях? Прежде всего, обмотку якоря. Параллельные проводники одной секции изолируются друг от друга. Кроме того, сами секции изолируют друг от друга, а также относительно сердечника якоря (корпусная или главная изоляция, рис. 25). В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и всю катушку относительно остова двигателя (корпусная или главная изоляция), а также выводные концы.
Кронштейны щеткодержателей изолируют с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 20). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и друг от друга выполняют так, как показано на рис. 19. На рис. 26 изображен тяговый двигатель.
5.	Мощность тягового двигателя
Очень важно знать, какую мощность смогут развивать тяговые двигатели за тот или иной промежуток времени в процессе ведения состава электровозом, способны ли они выдержать перегрузки? Какой продолжительности могут быть допущены эти перегрузки?
Как известно, мощность представляет собой работу, совершаемую в единицу времени — секунду. Мощность электрических машин, в том числе и тяговых двигателей, измеряют в киловаттах (кВт).
Чем большую мощность развивает тяговый двигатель, тем больший ток проходит по его обмоткам и тем больше тепла выделяется в проводниках. В результате нагреваются обмотки и другие детали двигателя. Поэтому во время работы двигателя температура его частей становится
49
выше температуры окружающей среды. Повышение температуры сказывается на состоянии и работоспособности двигателя и в первую очередь на его изоляции.
Учитывая, что в состав изоляции входят в качестве склеивающих веществ лаки органического происхождения, которые при определенной температуре начинают разрушаться, пришлось установить предельно допустимые температуры нагревания изоляции тяговых двигателей. Само собой разумеется, что эти температуры выбраны с некоторым запасом, т. е. они ниже того значения, при котором изоляция разрушается. Допустимая температура перегрева зависит от качества изоляции.
Нагрев двигателя зависит и от температуры окружающей среды. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем интенсивнее охлаждается тяговый двигатель. Поэтому зимой тяговые двигатели электровоза могут развивать большую мощность, чем летом и, несмотря на то, что зимой увеличивается сопротивление движению поездов, нет необходимости уменьшать вес железнодорожных составов.
Если увеличить количество воздуха, охлаждающего части двигателя, то охлаждение будет более интенсивным, и тяговый двигатель сможет развивать большую мощность, не превышая допустимую температуру. Поэтому через тяговые двигатели с помощью вентиляторов непрерывно прогоняют охлаждающий воздух.
Воздух обычно подводят внутрь остова тягового двигателя со стороны коллектора. Здесь воздух разбивается на два параллельных потока: один проходит по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря (они видны на рис. 16, б), другой омывает катушки полюсов, поверхность якоря и коллектора. С увеличением количества выделяемого тепла в двигателе повышается температура его частей. Но, с другой стороны, чем выше температура по отношению к температуре окружающей среды, или, как говорят, чем больше перепад температуры, тем большее количество тепла от нагреваемого тела рассеивается в окружающую среду. При достижении определенной температуры количество тепла, выделяемого в теле, будет равно количеству тепла, отдаваемого им окружающей среде, т. е. установится тепловое равновесие. Соответствующая этому режиму температура называется установившейся.
В зависимости от времени, в течение которого части двигателя нагреваются до максимально допустимой температуры, ввели понятие длительной (продолжительной) и часовой мощности. Под длительной подразумевают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения температуры частей двигателя сверх максимально допустимого значения.
50
Под часовой подразумевают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в течение часа в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках, не вызывая превышения температуры частей двигателя над максимально допустимой. При этом полагают, что температура частей двигателя в начале испытания равна температуре окружающей среды, которую принимают равной 25°С. Если температура окружающей среды выше 25°С, то соответственно допустимые нормы перегрева сни
Время, ч
Рис. 27. Кривые, характеризующие нагревание тягового двигателя
жают.
Ток, соответствующий длительной мощности, называют длительным, а ток, реализуемый при часовой мощности, — часовым.
Для наглядности зависимость превышения температуры тягового двигателя над температурой окружающей среды от тока в обмотке якоря (следовательно, и от развиваемой двигателем мощности) и времени его прохождения изображают графически в виде кривых (рис. 27). Кривая 2 соответствует нагреванию двигателя, когда он развивает длительную мощность. Ток при этом равен 340 А (длительный ток) и допустимое превышение температуры составляет около 135°С. После достижения этой температуры части двигателя выше уже не нагреваются. Наступает тепловое равновесие; количество тепла, выделяющегося в обмотках и других частях двигателя, становится равным количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду.
До той же температуры (135°С) части двигателя нагреваются за 1 ч при токе 380 А, который в данном примере будет часовым (кривая 3). Если ток меньше 340 А, например 120 А (кривая /), части двигате ля при любой продолжительности работы не нагреваются до максимально допустимой температуры, установленной для данного класса изоляции. Разумеется, что в процессе вождения поездов ток, а следовательно, и мощность тяговых двигателей электровоза все время изменяются. Так, при движении по подъему мощность двигателей кратковременно может превышать часовую. На спусках, площадках двигатели развивают мощность, меньшую длительной. При этом нагретые их части охлаждаются.
Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем на короткое время, в течение которого его части не успевают перегреться, 51
ограничивается механической прочностью его деталей и условиями коммутации. Понятно, что при очень большой мощности в результате чрезмерных механических усилий в двигателе могут возникнуть напряжения, превышающие предел упругости, в результате которых, в конечном счете, происходят механические повреждения. Чем больше ток двигателя, тем больше индуктируемая в нем реактивная э. д. с., тем труднее ее компенсировать. Следовательно, при очень большой мощности условия коммутации ухудшаются, возникает сильное искрение под щетками, которое может перейти в круговой огонь по коллектору.
Однако обычно максимальная мощность электровоза не ограничивается механической прочностью или коммутацией двигателей, так как еще до достижения опасного значения тока нарушается сцепление колесных пар с рельсами. Следовательно, максимальная мощность, которую могут развить тяговые двигатели электровоза, ограничивается, кроме всего прочего, сцеплением колес с рельсами.
Мощность выпускаемых отечественными заводами тяговых двигателей непрерывно повышается в результате улучшения конструкции, совершенствования методов расчета, применения новейших изоляционных и других материалов. Так, например, мощность тягового двигателя в часовом режиме, имеющего серийное обозначение ТЛ-2К1, устанавливаемого на электровозах ВЛ10, составляет 650 кВт, двигателя НБ-418К6 электровозов ВЛ80к и ВЛ80т — 790 кВт, а двигателя ДПЭ-340 электровозов ВЛ 19 — 340 кВт. Следовательно, мощность двигателя ТЛ-2К1 почти в 2 раза, а двигателя НБ-418К6 в 2,3 раза больше, чем двигателя ДПЭ-340. Посмотрим, как это увеличение мощности отразилось на одном из важнейших показателей — массе двигателя, что особенно важно для условий тяги. Масса этих двигателей составляет соответственно 4700, 4350 и 4280 кг, т. е. почти не изменилась.
Этот важнейший показатель обычно характеризуют не абсолютной массой двигателя, а относительной, приходящейся на 1 кВт мощности: в наших примерах 8,2; 6,2; 12,6 кг/кВт. Цифры говорят сами за себя. Наиболее благоприятные показатели имеет двигатель электровозов переменного тока ВЛ80к и ВЛ80т. Это в некоторой степени объясняется тем, что двигатели электровозов постоянного тока рассчитаны на номинальное напряжение 1500 В, которое является вынужденным и, следовательно, не самым оптимальным, как уже было отмечено на стр. 9. Двигатели электровозов переменного тока ВЛ80к и ВЛ80т работают при номинальном напряжении 950 В, что в значительной мере облегчает решение вопросов повышения мощности, с лучшими показателями.
Дальнейшее развитие химической промышленности позволит обеспечить тяговое электромашиностроение новыми, более совершенными, электроизоляционными материалами — лаками, полимерами, сбладаю-52
щими более высокими электроизоляционными свойствами и тепловой устойчивостью. Это еще более позволит повысить электрические, механические и тепловые нагрузки, воспринимаемые тяговыми двигателями.
6.	Особенности двигателей пульсирующего тока
В заключение главы о тяговых двигателях отметим одно важное обстоятельство. Описание устройства двигателей в главе было общим для электровозов постоянного и переменного тока, так как большинство их узлов имеет одно и то же конструктивное решение.
Однако надо помнить об особенностях выпрямленного тока, питающего тяговые двигатели. После выпрямления на тяговых подстанциях он почти не имеет пульсаций, т. е. практически является постоянным, в отличие от тока, выпрямленного установками электровозов переменного тока. Здесь ток не постоянный, а пульсирующий. (Об этом более подробно будет рассказано в главе X.) В соответствии со сказанным различают тяговые двигатели постоянного тока и тяговые двигатели пульсирующего тока. Конструктивными особенностями последних, как уже отмечали, является наличие шихтованных вставок в остове двигателя и шихтованных дополнительных полюсов, большее число пар полюсов и наличие компенсационной обмотки.
Может возникнуть вопрос: а нельзя ли питать коллекторный тяговый двигатель переменным током?
Вообще говоря, если обычный тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением подключить к источнику переменного тока, то его якорь вращаться будет. Но при этом возникнут значительные потери в массивных частях двигателя, которые все время будут перемагничиваться и тем чаще, чем больше частота переменного тока.
Кроме того, при прохождении переменного тока по обмоткам возбуждения и якоря в них будет индуктироваться э. д. с. самоиндукции, что вызовет неодновременность изменения подводимого напряжения и проходящего тока. Между изменениями тока и напряжения появится, как говорят, сдвиг фаз. Это значит, что напряжение и ток неодновременно будут достигать максимального и минимального значения, неодновременно изменять свое направление. Как следствие, часть электрической энергии в определенные периоды будет запасаться в виде электромагнитной энергии в обмотках двигателя, а затем в другие периоды возвращаться обратно в питающую сеть. При таком «.перекачивании» энергии из сети в двигатель и из двигателя в сеть никакой полезной работы не совершается, наоборот, бесполезно загружаются электрические станции, линии передачи. В результате много энергии расходуется на нагревание проводов.
53
Кроме того, при питании переменным током резко ухудшается коммутация коллекторного двигателя и под щетками возникает недопустимое искрение. Это объясняется тем, что в коммутируемых секциях, кроме реактивной э. д. с., о которой уже шла речь, наводится еще трансформаторная э. д. с. Трансформаторная э. д. с. возникает под действием пронизывающего коммутируемые секции переменного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения. Для того, чтобы снизить трансформаторную э. д. с., уменьшают число витков в секции, снижают величину магнитного потока возбуждения путем увеличения числа полюсов, а также уменьшают частоту питающего тока.
Усилия ученых многих стран направлены на создание надежного тягового двигателя переменного тока промышленной частоты, но не имеющего указанных недостатков. Электровозы с тяговыми двигателями, у которых остов, так же как и якорь, собран из отдельных листов стали с 16 полюсами и специальными обмотками, эксплуатируются на некоторых дорогах за рубежом. Однако такие двигатели очень сложны в изготовлении и эксплуатации и требуют дальнейшего совершенствования.
Значительно проще решается вопрос, если понизить частоту питающего тока. В этом случае коллекторный тяговый двигатель переменного тока по своим качествам приближается к тяговому двигателю постоянного тока. Резко улучшаются условия его коммутации. В то же время сохраняется основное преимущество переменного тока — возможность его трансформации.
За границей сравнительно широко применяется электрическая тяга на однофазном переменном токе пониженной частоты (162/з и 25 Гц). Главный ее недостаток, как уже было отмечено выше, необходимость сооружения специальных электростанций для питания железных дорог током пониженной частоты или сложных тяговых подстанций, оборудованных устройствами для понижения частоты.
IV
АППАРАТЫ
И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1. Токоприемники
Силовая цепь электровоза (см. рис. 9) соединяется с источником электрической энергии с помощью контактной сети и токоприемника. Сложность такого соединения заключается в том, что контакт между токоприемником и контактным проводом осуществляется не в одной постоянной точке, как в стационарных установках, а перемещается вдоль контактной сети1 вместе с локомотивом.
Основным условием надежной работы токоприемника, или, как говорят специалисты, качества токосъема, является прежде всего, постоянство величины нажатия контактного устройства токоприемника на контактный провод. Разумеется, чем больше нажатие, тем надежней скользящий контакт. Но, с другой стороны, большое нажатие усиливает механический износ контактного провода и контактной части токоприемника. В то же время чрезмерно малое нажатие приводит к искрению и даже к образованию электрической дуги, что вызывает электрический износ контактных поверхностей и возникновение помех в различных видах связи и телевидения.
Контактный провод по разным причинам имеет неодинаковую высоту относительно железнодорожного пути, неравномерно изнашивается. Несмотря на это, конструкция токоприемника должна обеспечивать постоянный электрический контакт. Кроме того, для обеспечения безопасного осмотра и ремонта электровоза токоприемник должен быть устроен так, чтобы его можно было опускать (складывать) и вновь поднимать до соприкосновения с контактным проводом.
На наших дорогах используются токоприемники различных типов. Объясняется это применением двух систем электрической тяги, различными мощностями и скоростями движения электрических локомотивов, постепенным совершенствованием конструкции и импортом электровозов, особенно из Чехословакии.
1 В действительности, как будет рассказано дальше, контактный провод расположен в плане ие по оси пути, а зигзагообразно. Поэтому токоприемник относительно контактного провода перемещается и в поперечном направлении.
55
Рис. 28. Общий вид токоприемника восьмисотого электровоза постоянного тока (а) и его кинематическая схема (б)
Рассмотрим токоприемник электровоза постоянного тока (рис. 28, а). Если открыть доступ сжатому воздуху в правую полость цилиндра (рис. 28, а и б), то поршень его начнет перемещаться влево. С поршнем связан рычаг. Тяга этого рычага при перемещении его отходит от фасонного рычага, укрепленного на оси вала нижней рамы. Тогда под действием двух поднимающих пружин, растянутых, когда токоприемник опущен, верхняя и нижняя рамы, связанные шарнирно, начнут подниматься.
Нажатие полозов токоприемника на контактный провод зависит от натяжения поднимающих пружин и, что особенно важно, — в незначительной степени от высоты подъема токоприемника. Примерно постоянная величина нажатия полоза на провод достигается соответствующей конструкцией механизма подъема и точностью изготовления токоприемника. В среднем нажатие токоприемника на провод составляет от 80 до 130 Н (от 8 до 13 кгс).
Для того чтобы опустить токоприемник, цилиндр, наполненный сжатым воздухом, сообщают с атмосферой. Тогда опускающая пружина, которая была сжата при подъеме токоприемника под действием поршня и рычага, разжавшись, переместит поршень в крайнее правое положение и одновременно с помощью тяги с роликом воздействует на профильный рычаг. Главные валы под действием усилия, приложенного к профильному рычагу, и силы тяжести подвижной части, преодолев сопротивление поднимающих пружин, повернутся, и токоприемник опустится. Тяги, шарнирно закрепленные на валах, обеспечивают согласованный (син-56
хронный) поворот главных валов при подъеме и опускании токоприемника.
Вначале токоприемник должен опускаться очень быстро, чтобы разорвать электрическую дугу, которая может образоваться при отрыве полозов от контактного провода, а затем медленно, чтобы рама плавно опустилась на амортизаторы. Это достигается соответствующим очертанием профильного рычага и быстрым выпуском сжатого воздуха из цилиндра в начальный период. Основание токоприемника устанавливают на изоляторах. Обычно на электровозах имеется два токоприемника, электрически соединенных. Как правило, в процессе работы поднят задний по направлению движения локомотива токоприемник.
Токоприемники электровозов переменного и постоянного тока конструктивно не отличаются друг от друга. На электровозах переменного тока их устанавливают на изоляторах, рассчитанных на более высокое напряжение, и они имеют один полоз, так как потребляемый ток меньше, чем на электровозах постоянного тока.
Полозы токоприемника с помощью специального механизма, называемого кареткой (рис. 28, б), крепят к раме. Каретки предназначены для улучшения токосъема при проходе точек, где крепится контактный провод (жесткие точки), обеспечения упругости полозов в горизонтальном направлении и равномерного распределения нажатия между ними, что достигается применением пружин и шарнирных соединений.
2-	Разъединители и быстродействующие выключатели
Безопасность обслуживающего персонала, осматривающего электрическое оборудование электровоза, обеспечивают, опустив токоприемник. Чтобы исключить случайную подачу опасного напряжения, напри-
мер, в случае самопроизвольного контактного провода над токоприемником, в силовую цепь включают разъединители Р (см. рис. 9) — по одному на каждый токоприемник. Разъединитель (рис. 29) отключают вручную из кузова электровоза.
Нарушение изоляции и возникновение в связи с этим короткого замыкания или недопустимая перегрузка в цепи вызывают ток очень большой силы, который может привести к серьезным повреждениям оборудования. Ток короткого
подъема токоприемника, обрыва
Рис. 29. Разъединитель
57
Рис. 30. Диаграмма изменения величины достоянного тока при коротком замыкании цепи:
/оок.з.” установившийся ток короткого замыкания; I тах—максимальный ток при размыкании быстродействующего выключателя; /уСТ —ток уставки быстродействующего выключателя
замыкания достигает столь больших значений, что могут сгореть или разрушиться даже самые толстые провода, шины и другие токоведущие части. Возникающие при коротком замыкании механические силы взаимодействия между проводниками с током разрушают изоляторы и другие детали электротехнических установок.
Поэтому все электрические цепи, как правило, тем или иным способом защищают от токов короткого замыкания и перегрузок.
Простейшие защитные аппараты — плавкие предохранители — включают последовательно с защищаемой цепью; плавкая вставка их
перегорает при токах, превышающих допустимые, так как имеет меньшее сечение по сравнению с любым проводником в защищаемой цепи.
Защитить плавким предохранителем силовую цепь электровоза, рассчитанную на большие токи, невозможно. При коротком замыкании ток растет очень быстро (рис. 30), а плавкая вставка сгорает не сразу. Она обладает так называемой тепловой инерцией. Кроме того, при очень большом токе и высоком напряжении даже после того, как плавкая вставка сгорит, между зажимами, где она была включена, может возникнуть электрическая дуга.
Следовательно, нужен такой защитный аппарат, который при коротких замыканиях или перегрузках был бы в состоянии в минимальное время разрывать защищаемую цепь и быстро гасить электрическую дугу. На электровозах постоянного тока для этой цели служат быстродействующие автоматические выключатели (БВ). С помощью БВ, кроме того, силовую цепь электровоза отключают от контактной сети и подключают к ней. Такие включения и отключения называют оперативными.
Машинист, включив кнопку Б В (рис. 31, а), замыкает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. Кнопка остается включенной, так как она не снабжена пружиной, возвращающей ее в первоначальное положение. Затем машинист кратковременно нажимает на кнопку Возврат БВ, контакты которой замыкают цепь катушки элек-тропневматического вентиля (рис. 31, б).
Под действием магнитного поля, создаваемого электромагнитом вентиля, его якорь притягивается и перемещает вниз клапаны. Верхний
58
клапан закрывается, а нижний открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр привода (см. рис. 31, а) быстродействующего выключателя. При таком расположении клапанов вентили называют включающими, так как они, возбудившись, соединяют (включают) аппарат (в данном случае цилиндр) с источником сжатого воздуха.
Сжатый воздух давит на поршень привода быстродействующего выключателя и передвигает его вправо (см. рис. 31, а). Шток поршня с роликом на конце нажимает на контактный рычаг. Перед началом движения поршня контактный рычаг с подвижным контактом оттянут выключающей пружиной в крайнее левое положение и опирается верхней частью на упор. В точке А контактный рычаг шарнирно соединен с рычагом якоря магнитопровода. В этом положении контактный рычаг и рычаг якоря не соприкасаются.
Когда ролик под действием перемещающегося поршня начинает давить на контактный рычаг, последний сначала поворачивается относительно точки А, не отрываясь от упора. Поворот происходит до тех пор, пока контактный рычаг не коснется рычага якоря. После этого оба рычага поворачиваются вместе вокруг оси Б до того момента, пока якорь не будет прижат к полюсам магнитопровода, как показано на-рис. 31, а штриховыми линиями.
Однако в этот момент подвижной контакт еще не коснется неподвижного и, следовательно, силовая цепь не будет замкнута. Сколько бы времени машинист ни продолжал нажимать на кнопку Возврат БВ, подвижной и неподвижный контакты не замкнутся, так как ролик штока, упираясь в контактный рычаг, не дает ему повернуться в крайнее правое положение и тем самым замкнуть силовую цепь электровоза.
„ -МагнитопроЫ
Из резервуара, со сжатым возвухам
цилиндру БВ
Клапаны
Сжатый 6озВух~
Возврат Ев
К тяговым Лвигателян
Рис. 31. Схема быстродействующего выключателя (а) и вентиль включающего типа (б)
Якорь
Электромагнит
Это сделано не случайно. Предположим, что включение быстродействующего выключателя производится при короткозамкнутой силовой цепи. Даже если машинист сразу заметит, что силовая цепь неисправна, пройдет некоторое время, пока он отпустит кнопку и подвижной контакт под действием выключающей пружины начнет отходить от неподвижного. Скорость движения подвижного контакта будет сравнительно небольшая, так как выключающая пружина должна преодолеть сопротивление сил трения, возникающих при вращении включающего рычага, и переместить влево поршень в цилиндре. За это время ток короткого замыкания успеет резко возрасти и вызвать значительные повреждения. Во избежание этого быстродействующий выключатель конструируют так, чтобы окончательное замыкание его контактов происходило только после того, как машинист отпустит кнопку Возврат БВ и она своими контактами разорвет цепь электромагнита вентиля (см рис. 31,-б).
Вентиль открывающимся под действием пружины верхним клапаном сообщает полость цилиндра быстродействующего выключателя с атмосферой. Сжатый воздух выходит из цилиндра, и пружина, расположенная внутри его, перемещает поршень в крайнее левое положение. Однако выключающая пружина после этого не возвратит контактный рычаг и рычаг якоря в крайнее левое положение, так как якорь притянут магнитным потоком удерживающей катушки к полюсам ее магнитопровода.
Наоборот, с помощью выключающей пружины контактный рычаг поворачивается относительно оси А, подвижной и неподвижный контакты замыкаются. Теперь электрический ток из контактной сети через токоприемник, дугогасящую катушку, неподвижный и подвижной контакты, контактный рычаг, гибкий шунт, размагничивающий виток, навитый на стальной сердечник, пойдет в силовую цепь.
Магнитный поток, создаваемый размагничивающим витком Фраз, направлен навстречу потоку удерживающей катушки Фуд (см. рис. 31, а). При аварийном режиме в результате резкого увеличения тока, проходящего через размагничивающий виток, встречный магнитный поток настолько возрастает, что поток удерживающей катушки не может уже удержать якорь. Якорь под действием выключающей пружины отрывается от магнитопровода, и подвижной контакт с большой скоростью отходит от неподвижного.
В момент разрыва цепи между контактами возникает электрическая дуга. Ее необходимо погасить как можно быстрее. Если допустить длительное горение дуги, то по цепи значительное время будет проходить ток короткого замыкания или перегрузки, что может вызвать серьезные повреждения электрического оборудования. Чтобы быстрее погасить дугу, необходимо резко увеличить электрическое сопротивление ее 60
Рис. 32. Общий вид быстродействующего выключателя
прохождению. Для этого следовало бы не только мгновенно развести контакты, но и удалить их друг от друга на возможно большее расстояние.
Обычно в электрических аппаратах развести контакты на большое расстояние не представляется возможным, так как при этом значительно увеличились бы их размеры. Но можно удлинить дугу, выдувая ее за пределы контактов. В большинстве электрических аппаратов электровозов это осуществляют с помощью так называемого «магнитного дутья».
дуга выталкивается магнитным полем, создаваемым специальной дугогасительной катушкой. Ее витки включают в цепь последовательно с контактами (см. рис. 31, а). Следовательно, по катушке проходит разрываемый выключателем ток, или, как его
часто называют, главный ток. Для того, чтобы как можно дальше отбросить дугу, катушку дополняют стальными пластинами (полюсными наконечниками), касающимися ее сердечника. Тем самым увеличивают область действия магнитного поля дугогасительной катушки.
Чтобы контакты не оплавлялись, рядом с ними устанавливают дугогасительные рога (см. рис. 31, а), на которые выдувается дуга. Затем она перемещается ь верхнюю разведенную часть рогов потоком нагретого дугой воздуха, где и гасится. Гашению дуги во многом способствует интенсивное ее охлаждение. Поэтому рога закрывают дугогасительной камерой (рис. 32) со стенками из огнеупорного материала — асбоцемента, обладающего большой теплоемкостью. Для увеличения интенсивности охлаждения дуги в камере делают продольные перегородки, расщепляющие дугу на отдельные параллельные ветви. В камерах устраивают также поперечные перегородки, способствующие удлинению дуги.
Быстродействующий выключатель регулируют на определенную силу гока в защищаемой цепи, по достижении которой он срабатывает. Это значение тока называют уставкой быстродействующего выключателя. После того как ток достигнет значения уставки (см. рис. 30), через
61
время tc, которое называют собственным временем выключателя, начнут расходиться и контакты. Это время составляет всего 0,002 — 0,008 с и ток не успевает достигнуть опасного значения. Величину уставки выключателя регулируют с помощью специальных винтов. Их ввинчивают в магнитопровод, на который навита удерживающая катушка (см. рис. 31, а) или вывинчивают из него, изменяя тем самым сечение магнитопровода, а следовательно, и магнитный поток удерживающей катушки. При ввинчивании винтов сопротивление магнитопровода уменьшается.
3.	Пуск тяговых двигателей. Назначение резисторов и индивидуальных контакторов
На упрощенной силовой схеме (см. рис. 9) после быстродействующего выключателя показан включенный последовательно в цепь тяговых двигателей регулируемый резистор (реостат).
Казалось бы, что может быть проще пуска электрического двигателя, в том числе и тягового, в ход? Стоит только, например, быстродействующим выключателем или каким-либо другим пусковым аппаратом подключить двигатель к источнику электрической энергии, и якорь его начнет вращаться. Но в действительности дело обстоит не так просто. В момент пуска якорь двигателя неподвижен и в обмотке его не индуктируется э. д. с., уравновешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от величины приложенного напряжения Uc и сопротивления обмоток якоря и полюсов тяговых двигателей, соединенных последовательно. Это сопротивление невелико. Например, для одного тягового двигателя типа НБ-406Б электровозов ВЛ8 и ВЛ23 оно составляет гд=0,1152 Ом. Если два тяговых двигателя, соединенных последовательно, как показано на рис. 9, подключить к контактной сети, через их обмотки пойдет ток
/ = _ 3°00- = 13000 А.
0,1152 • 2
На такой ток тяговые двигатели не рассчитаны. Кроме того, будет нарушено и сцепление между колесными парами и рельсами.
Чтобы ограничить пусковой ток, последовательно с обмотками якорей тяговых двигателей на электровозах постоянного тока включают специальные пусковые резисторы. Сопротивление резистора выбирают такое, чтобы в момент пуска ток не превышал допустимого значения по условиям безаварийной работы тяговых двигателей и не происходило нарушения сцепления колесных пар электровоза с рельсами. Так, на восьмиосном электровозе ВЛ8 сопротивление пускового резистора
62
Гр = 25,925 Ом. При этом ток в начале пуска, если все восемь двигателей соединить последовательно, будет
/п=-^- =---------------------110А-
гР+8гд 25,925+8-0,1152
Как только начнет вращаться якорь двигателя, в его обмотке индуктируется э. д. с., которая по мере разгона поезда, если, конечно, сила тяги F больше сопротивления движению W, увеличивается; при этом ток якоря уменьшается. Это вызывает снижение вращающего момента М двигателя, а значит и силы тяги F. Одновременно с этим возрастает сопротивление движению W и в конце концов сила тяги становится равной сопротивлению движению: F = W.
Для дальнейшего увеличения скорости, как мы уже знаем, необходимо повысить подводимое напряжение. Когда был включен пусковой резистор, на каждый двигатель приходилось очень небольшое напряжение по сравнению с напряжением в контактной сети Uc. В момент пуска падение напряжения на резисторе составляло
Ц,=/Пгр=110 -25,925=2850 В.
На все восемь тяговых двигателей приходилось напряжение [/д= L/c—Пр=3000 —2850 = 150 В,
а на один двигатель — около 18 В.
Напряжение на тяговых двигателях электровозов постоянного тока увеличивают, уменьшая сопротивление пусковых резисторов. Регулировать напряжение, а следовательно, и частоту вращения двигателей изменением сопротивления резисторов невыгодно, так как при этом непроизводительно тратится значительная часть энергии на нагревание резисторов. Обычно резисторы используют только во время разгона поезда и их выключают из силовой цепи полностью в конце этого процесса. Само собой разумеется, было бы очень хорошо непрерывно в соответствия с ростом скорости движения поезда сохранять неизменный ток, а следовательно, и постоянную силу тяги, плавно уменьшая сопротивление пусковых резисторов. Однако конструктивно осуществить это очень трудно.
На электровозах для повышения скорости поезда пусковые резисторы выключают отдельными секциями с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты 1 и 2 индивидуальных контакторов показаны на рис. 9. Если замкнуть контакты 1 контактора, то одна секция пускового резистора будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов 2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.
Рис. 33. Схема (а) и общий вид индивиду-
ального электропневматического контактора (б).
В зависимости от типа привода различают контакторы электропнев-матические и электромагнитные.
В электропневмэтических контакторах при замыкании низковольтной цепи катушки электромагнитного вентиля включающего типа (рис. 33, а) открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр индивидуального электропневматического контактора. Поршень в цилиндре перемещается вверх и сжимает выключающую пружину. Изоляционный стержень поворачивает рычаг с находящимся на нем подвижным контактом. Когда подвижной контакт коснется неподвижного, электрическая цепь замкнется, но на этом процесс включения не заканчивается, Подвижной контакт и рычаг соединены шарнирно. Между их выступами находится притирающая пружина. После соприкосновения контактов поршень вместе со стержнем продолжает двигаться вверх и подвижной контакт перекатывается по неподвижному. Благодаря этому поверхность контактов очищается от образовавшихся окислов и соединение получается надежным.
Чтобы выключить контактор, разрывают цепь катушки электромагнитного вентиля. При этом пружина возвращает клапаны вентиля в исходное положение, нижняя полость цилиндра сообщается с атмосферой,
64
поршень под действием выключающей пружины движется вниз и контакты размыкаются.
Электропневматические контакторы (рис. 33, б) используют в цепях с большими токами, где требуется особо надежный контакт. В цепях со сравнительно малыми токами применяют электромагнитные контакторы.
Для того чтобы включить электромагнитный контактор, замыкают цепь его включающей катушки (рис. 34); под действием магнитного поля, создаваемого катушкой, якорь притягивается к сердечнику катушки. Якорь, вращаясь вокруг оси, замыкает неподвижный и подвижной контакты и одновременно сжимает выключающую пружину. После замыкания контактов ток пройдет через дугогасительную катушку, подвижной и неподвижный контакты и гибкий шунт к нагрузке.
Все детали, по которым проходит ток высокого напряжения, надежно изолируют от включающей катушки, чтобы не допустить попадания высокого напряжения в цепи низкого напряжения и тем самым обеспечить безопасность работы локомотивной бригады. Индивидуальные контакторы оборудуют дугогасительными устройствами, так как они осуществляют переключения в силовой цепи электровоза под нагрузкой.
В силовых цепях электровозов используют только электропневматические контакторы, так как они обеспечивают более сильное нажатие контактов.
5—1773
Рис. 34. Схема электромагнитного контактора
4"
Позиции	Контакторы				На к соеЗине-мы секции
	1	2	3	4	
I	1	—	—	—	a +OtO
л	7	2	—	—	О+О
ш	—	2	3	—	0
п	—	—	3	4	(а+1)111
л	—	2	3	4	а И в
И	/	2	3	4	—•
Рнс. 35. Схема пускового резистора и таблица замыкания контакторов
Рнс. 36. Ящик пусковых фехралевых резисторов
65
Выбирая число секций пусковых резисторов, стремятся при минимальном их числе получить наибольшее количество ступеней (позиций), и тем самым обеспечить возможно меньшие колебания силы тока, а следовательно, и силы тяги локомотива. Это достигается путем различных комбинаций соединения секций пусковых резисторов.
Так, если замкнуть контактор 1 (рис. 35)1 при разомкнутых остальных контакторах, секции а, б и в будут включены последовательно (что показано в таблице к рис. 35). Замкнув контактор 2, выключают секцию а, при замыкании контактора 3 включена в силовую цепь только секция в. Замкнув контактор 4 и выключив предварительно контакторы 1 и 2, что не связано с разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в — получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакторы 2, 3, 4, соединяют параллельно секции айв, образуя еще одну пусковую ступень, и наконец, замкнув все контакторы, выключают пусковой резистор полностью.
В данном примере, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового резистора.
Для того чтобы знать, на какой позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции резистора и как включены, составляют таблицу замыкания контакторов.
Пусковые резисторы собирают из отдельных элементов и объединяют в ящики (рис. 36). Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим электрическим сопротивлением. Первоначально элементы делали из чугуна.
4.	Регулирование скорости. Групповые переключатели
После полного выключения ступеней пускового резистора к каждому тяговому двигателю в соответствии с рис. 9 подводится напряжение 1500 В. В действительности, как мы уже знаем, электровозы имеют 8 или 6 двигателей. Поэтому в восьмиосном электровозе к каждому дви-
О-7Е Г. / ООО В \
гателю подводится напряжение 375 В ( g—], а в шестиосном — 500 В. Напомним, например, что в момент пуска при включенном резисторе к каждому двигателю электровоза ВЛ8 подводилось только около 18 В.
Чтобы далее увеличивать скорость движения, нужно продолжать повышать напряжение, подводимое к двигателям. Для этого двигатели соединяют последовательно-параллельно, т. е. образуют две параллельные
1 Здесь и далее для упрощения контакты на схемах показаны в большинстве случаев без дугогашения.
66
цепи по четыре двигателя в каждой на восьмиосных электровозах или по три на шестиосных. Тогда на двигатель восьмиосного электровоза будет приходиться напряжение 750 В, а шестиосного 1000 В.
Как же осуществить переключение двигателей во время их работы с последовательного на последовательно-параллельное соединение? Это можно сделать тремя способами: разорвать цепь тяговых двигателей и осуществить пересоединение; подключить параллельно половине двигателей резистор (зашунтировать) и выполнить пересоединение; замкнуть накоротко пересоединяемую часть двигателей, а потом переключить их. Переход с последовательно-параллельного соединения двигателей на параллельное осуществляют теми же способами.
Переход с разрывом цепи самый простой, так как значительно упрощается работа аппаратов, осуществляющих переключение. Но при этом тяговые двигатели полностью отключаются от контактной сети и нарушается плавность движения поезда. Поэтому такой способ на современных электрических локомотивах не применяют. Переход шунтированием части тяговых двигателей резистором лучше вследствие того, что сила тяги уменьшается только частично. Этот способ широко применяют на электровозах. Переход коротким замыканием части двигателей вызывает значительное падение силы тяги, но в меньшей степени, чем в случае перехода с разрывом цепи. Этот способ перехода применен, например, на электровозах ВЛ22М без рекуперации.
Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями.
Групповые переключатели называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. Они имеют общий привод для нескольких контакторов. Их собирают из поставленных в ряд контакторов — контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется при механическом воздействии кулачкового вала переключателя.
В отличие от индивидуальных контакторов групповые используют в тех цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе для переключения двигателей с одного соединения на другое.
Расскажем об устройстве и действии группового переключателя электровозов ВЛ8 и ВЛ 10. Переключатель содержит четыре контакторных элемента, установленных на раме, вал с четырьмя кулачками (по числу контакторных элементов, пневматический привод и блокировочное устройство. Кулачки (рис. 37, а) имеют выступы и впадины. Выступы кулачков при повороте вала набегают на ролики подвижных контактов, замыкая контакты контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться.
5* 67
Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на кулачковом валу. Пневматический привод (рис. 37, б) включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля Bl, В2 и трубопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух.
В цилиндры через отверстия в торцовых крышках может поступать сжатый воздух. Подачей сжатого воздуха управляют с помощью уже знакомых нам электропневматических вентилей. Вентиль В2 включающего типа, В1 — выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего только расположением клапанов. При обесточенной катушке вентиль открывает доступ сжатому воздуху в полость цилиндра. Если же возбудить катушку, то полость цилиндра через вентиль сообщится с атмосферой.
Привод группового переключателя имеет два фиксированных положения. Одно из них он занимает, когда катушки вентилей обесточены. Тогда сжатый воздух поступает в левую полость цилиндра и поршни перемещаются в крайнее правое положение. В другом положении привод находится, когда катушки обоих вентилей возбуждены. В этом случае левая полость цилиндра сообщается с атмосферой, а правая — с источником сжатого воздуха. Вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал по часовой или против часовой стрелки.
При этом контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода двигателей с последовательного на последовательно-параллельное соединение. Последовательность этих переключений рас-
Рис. 37. Контакторный элемент (а) и пневматический привод группового переключателя восьмиосного электровоза (б)
Рис. 38. Схемы, поясняющие переход с последовательного соединения двигателей на последовательно-параллельное
смотрим на примере восьмиосного электровоза (рис. 38). Как мы уже знаем, переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей осуществляют, когда возможности повышения скорости на последовательном соединении исчерпаны: из цепи двигателей полностью выведены пусковые резисторы (рис. 38, а). Перед тем, как начать пересоединение двигателей, включают в их цепь секции Р/ и Р2 пускового резистора (рис. 38, б). Это необходимо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми включенных последовательно электрическое сопротивление обмоток двигателей и сумма э. д. с. в обмотках якорей уменьшится в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить резистор Р2 для шунтирования переключаемых двигателей. Поэтому он включен между IV и V тяговыми двигателями.
Включение этих резисторов происходит при размыкании контактов индивидуальных контакторов (для упрощения схемы на рис. 38, а резисторы Р1 и Р2 показаны коротко замкнутыми, а на рис. 38, б и последующих закорачивающие провода не изображены, так как резисторы введены в цепь тяговых двигателей). Затем включаются обмотки катушек вентилей В1 и В2 группового переключателя (см. рис. 37, б). Пор шень, перемещаясь справа налево, поворачивает вместе с зубчатым колесом кулачковый вал привода. Выступы и впадины кулачков расположены так, что сначала включаются контакты контакторного элемента 1
69
(рис. 38, в) *. Вследствие этого двигатели V—VIII шунтируются резистором Р2.
При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 2, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели I—IV вместе с резистором Р1, а двигатели V—VIII отключаются от контактной сети (рис. 38, г). Затем включаются контакторы 3, 4 группового переключателя, и тяговые двигатели V—VIII подключаются параллельно двигателям I—IV и к контактной сети (рис. 38, <?). Наличие двух контакторов 3 и 4, выполняющих одну и ту же функцию, объясняется тем, что перед включением двигателей V—VIII в их якорях не индуктируется э. д. с., и, следовательно, ток в цепи в момент соединения их с контактной сетью резко возрастает. Поэтому, чтобы облегчить работу контактов контакторов при замыкании, число их удваивают.
Переход завершается включением индивидуального контактора 5, соединяющего параллельно резисторы Р1 и Р2 (рис. 38, е). Это позволяет получить общее сопротивление пускового резистора для двух параллельных цепей тяговых двигателей. Затем, осуществляя различные соединения секций пускового резистора путем включения и выключе-
ния соответствующих индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают сопротивление пускового резистора до нуля.
Переход на параллельное соединение двигателей (рис. 39) в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное, только теперь две пары тяговых двигателей шунтируются раздельно соответствующими секциями пускового резистора. Переход осуществляется на электровозах ВЛ8 и ВЛ 10 двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый из них имеет по шесть контакторов.
Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекра-
Рис. 39. Схема перехода с последовательно-параллельного соединения двигателей на параллельное
1 Для того чтобы отличать на силовых схемах электровозов постоянного тока обозначение контактов индивидуальных контакторов от групповых, условились изображение последних вписывать в окружность, что ГОСТами ЕСКД не предусмотрено,
70
щают питание катушек групповых переключателей в определенной последовательности. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя переключения.
На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в наперед заданной последовательности переключение двигателей с одного соединения на другое. Конструкция таких переключателей более сложная, так как у них уже не один, а два цилиндра с поршнями, соединены с зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя группами соединения двигателей.
Способ регулирования напряжения, подводимого к двигателям, а тем самым и скорости их вращения переключением с одного соединения на другое позволяет получить на каждом двигателе три значения напряжения:
Шестиосиые Восьмиосиые электровозы электровозы
При последовательном (с) соединении двигателей,	В .	500	375
При последовательно-параллельном (сп), В ................ 1000	750
Пэл параллельном (п), В •................................ 1500	1500
Буквы в скобках — это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина «последовательное соединение» использовали «сериесное соединение».
Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждой ветви включено последовательно два двигателя. Это сделано потому, что, как уже отмечалось ранее, тяговый двигатель работает надежно и его размеры вписываются в габарит локомотива при напряжении на коллекторе не более 1500 В.
Следовательно, в зависимости от группы соединения тяговых двигателей можно получить три так называемые экономические скорости электровоза, т. е. без потерь в пусковом аппарате — резисторе. Ведение состава с включенными ступенями резистора происходит только в процессе разгона до той или иной экономической скорости. Задержка на какой-либо промежуточной ступени вызывает значительные непроизводительные потери электрической энергии, и резисторы могут сгореть, так как они рассчитаны на кратковременный режим работы с нагрузкой.
В связи со сказанным вернемся к рис. 4. На нем показано, что от точки о до точки о' скорость возрастает по наклонной прямой линии, т. е. увеличивается в каждое мгновение на одну и ту же величину — значит осуществляется равномерно-ускоренное движение. Это означает, что машинист, уменьшая постепенно сопротивление пускового резистора,
71
стремится поддерживать одно и то же значение пускового тока двигателя. От точки о и далее до точки а движение происходит с выведенным пусковым резистором по так называемой автоматической характеристике, когда характер изменения скорости определяется соотношением силы тяги F и основного сопротивления W. Трех экономических скоростей для обеспечения экономичной работы локомотива безусловно мало. Что же еще можно сделать для расширения диапазона скоростей?
5-	Ослабление поля. Индуктивные шунты
В главе III рассказано о возможности регулирования частоты вращения тяговых двигателей путем изменения величины магнитного потока возбуждения тяговых двигателей при неизменном напряжении.
В двигателях с последовательным возбуждением, у которых ток якоря проходит и по обмотке возбуждения, можно только уменьшать магнитный поток. Такое действие называют ослаблением поля. В этом случае увеличивается ток якоря, а следовательно, и мощность, потребляемая из контактной сети. Увеличение тока якоря осуществляют двумя способами: отключением части витков (рис. 40, а) и шунтированием обмотки возбуждения резистором (рис. 40, б)1.
Первый способ ввиду того, что усложняется конструкция тяговых двигателей, не нашел применения на электровозах. Для осуществления его необходимо вывести дополнительные провода от обмотки возбуждения и обязательно отключить от нее выключаемые витки, а не замкнуть их накоротко. Если этого не сделать, в замкнутых витках при изменениях тока двигателей будет наводиться э. д. с., препятствующая изменениям основного тока возбуждения. Поэтому, включая контактор 2, отключают контактор 1.
В тяговых двигателях электровозов применяют шунтирование обмотки возбуждения резистором. Это позволяет сравнительно просто получить несколько ступеней ослабления поля, изменяя сопротивление шунтирующего резистора, для чего его разбивают на несколько секций. Включение и выключение ступеней шунтирующих резисторов так же, как и пусковых, осуществляют с помощью индивидуальных контакторов. Так, при включении контактора 1 (рис. 40, б) параллельно обмотке возбуждения в цепь вводится полностью все сопротивление резистора.
1 Общеупотребительный термин «ослабление поля» не отражает существа процесса. При отключении части витков или шунтировании обмотки возбуждения ток в якоре двигателя возрастет, иначе нарушится равенство (а) (см. стр. 33), так как частота вращения п будет расти медленно из-за большой инерции поезда. Ток увеличится до такого значения, при котором магнитный поток Ф станет равным почти прежней величине вследствие малости г. Поэтому фактически осуществляется не «ослабление поля», а увеличение тока якоря.
72
Рис. 40. Способы ослабления магнитного потока полюсов
Замкнув контактор 2, а затем при необходимости контактор 3, ступенями уменьшают сопротивление резистора.
На отечественных электровозах применяют от двух до четырех ступеней ослабления поля. На современных мощных электровозах серий ВЛ8, ВЛ 10 используют четыре ступени ослабления поля, причем на четвертой ступени 64% тока двигателя проходит через шунтирующий резистор и лишь 36% по обмоткам возбуждения. Ослабление поля машинист может применить при последовательном, последовательнопараллельном и параллельном соединениях двигателей. Таким образом, если осуществляют четыре ступени ослабления поля, то электровоз имеет 15 экономических ступеней скорости, при
двух ступенях ослабления — 9. Как видно из рис. 40, б, последовательно с шунтирующим резистором включен так называемый индуктивный шунт ИШ.
Необходимость его применения вызывается следующим. Кратковременно контактная сеть может отключаться от тяговой подстанции или токоприемник отрываться от контактного провода, после чего тяговые двигатели вновь включаются на полное напряжение. Ток в якорях двигателей при этом резко нарастает, но так как обмотки возбуждения двигателей обладают большим индуктивным сопротивлением, то большая часть тока пойдет через шунтирующий резистор, а меньшая — через обмотки возбуждения. Поэтому э. д. с. в обмотке якоря будет возрастать замедленно и большой ток, проходя по катушкам дополнительных полюсов, насытит их магнитную систему. Вследствие этого реактивная э. д. с. в коммутируемых секциях якоря не будет компенсирована. Кроме того, действием реакции якоря будет в сильной степени искажено магнитное поле возбуждения. В результате этого возникнет искрение под щетками, которое может перейти в круговой огонь.
Для обеспечения заданного распределения тока между обмотками возбуждения и шунтирующими резисторами применяют индуктивные шунты, обладающие соответствующим индуктивным сопротивлением.
6.	Реверсоры
В процессе работы локомотива возникает необходимость изменять направление движения электровоза. Для этого нужно изменить направление вращения якорей тяговых двигателей — реверсировать их.
73
Реверсировать двигатели (рис. 41, а) можно двумя способами:
не меняя направления тока в обмотке якоря, изменить направление магнитного потока, изменив направление тока в обмотке возбуждения (рис. 41, б);
не меняя направление магнитного потока, изменить направление тока в обмотке якоря (рис. 41, в).
На электровозах, как правило, реверсируют двигатели изменением направления магнитного потока. Это объясняется тем, что напряжение, приходящееся на обмотку возбуждения, меньше напряжения на якоре. Поэтому аппараты, осуществляющие реверсирование путем изменения тока в обмотке возбуждения, получаются проще, так как они работают под меньшим напряжением. Однако на электровозах серии ВЛ10 и на части электровозов ВЛ8 для упрощения силовой схемы реверсирование тяговых двигателей осуществляют, изменяя направление тока в якорях тяговых двигателей.
Если одновременно изменить направление и тока, и магнитного потока, т. е. полярность подведенного к двигателю напряжения, то направление вращения его якоря не изменится. Реверсируют тяговые двигатели электрическими аппаратами, называемыми реверсорами.
На отечественных электровозах применяют реверсоры двух типов: барабанные и кулачковые с контакторными элементами.
Барабанный реверсор (рис. 42, а) устроен следующим образом. На изолированном валу укреплены два медных сегмента, электрически не связанных друг с другом. Они могут вращаться вместе с валом. Кроме того, имеются четыре неподвижных пальца 1—4. При положении сег-
Рис. 41. Способы реверсирования тяго вых двигателей
Рис. 42. Схема реверсора барабанного типа
74
Рис. 43. Схема кулачкового реверсора
ментов, показанном на рис. 42, а, ток проходит по обмоткам возбуждения слева направо. Когда сегменты вместе с барабаном повернутся по часовой стрелке, направление тока в обмотках возбуждения изменится на противоположное (рис. 42, б).
Поворот вала с сегментами производится пневматическим приводом, соединенным с валом реверсора. Впуск и выпуск сжатого воздуха из цилиндра осуществляется двумя вентилями так же, как и в групповом переключателе.
На мощных электровозах ВЛ8, ВЛ10 применяют реверсоры с контакторными элементами, приводимыми в действие кулачковым валом так же, как и в групповых переключателях. Изменение направления тока в обмотках возбуждения в зависимости от положения поршней в цилиндре, а тем самым и контактов 1, 2, 3, 4 показано на рис. 43, а и б.
На силовых схемах электровозов электрические соединения пальцев и сегментов реверсоров (см. рис. 42, в, г) изображают как контакты индивидуальных контакторов. Это, разумеется, относится и к условным изображениям контакторных элементов кулачковых реверсоров. На отечественных шестиосных электровозах устанавливают один реверсор для шести тяговых двигателей, на восьмиосных ВЛ8 и ВЛ 10 — два реверсора: по одному на четыре тяговых двигателя.
7.	Принципиальная силовая схема
Как же выглядит принципиальная электрическая схема силовой цепи электровоза? На рис. 44 в качестве примера изображена такая схема для шестиосного электровоза.
Сначала определим, какие машины, аппараты и приборы изображены на схеме. В соответствии с принятыми условными графическими
75
обозначениями на схеме показаны два токоприемника, высоковольтные разъединители, разрядник, быстродействующий выключатель, пусковые резисторы, шесть якорей тяговых двигателей I—VI, шесть обмоток возбуждения, шунтирующие резисторы, индуктивные шунты и контакты индивидуальных контакторов, группового переключателя и реверсора, амперметры, реле.
Контакты аппаратов на рис. 44 показаны в положении, соответствующем условиям их изображения, о которых было сказано на стр. 26 Дополнительно отметим следующие условия. Контакты групповых переключателей показывают в положении, при котором двигатели соединены последовательно, реверсоров — в положении, соответствующем направлению движения электровоза «Вперед».
Силовая схема, изображенная на рис. 44, выполнена разнесенным способом. Поэтому, например, контакты группового переключателя изображены в разных местах, в то время как в действительности они собраны вместе на одной раме. То же самое относится и к реверсору.
Определим пути прохождения тока. От положительного полюса, в данном случае от контактного провода, ток проходит через один из токоприемников, крышевой разъединитель, быстродействующий выключатель (если они включены) и подходит к точке а.
Рис 44. Принципиальная силовая схема электровоза постоянного тока
76
От точки а в зависимости от того, какие контакты контакторов замкнуты и какие разомкнуты, ток может идти в верхнюю группу секций пускового резистора Р1—Р2, в среднюю РЗ—Р4, в нижнюю Р5—Р6 или по более сложной цепи, образованной соответствующим соединением этих групп пускового резистора.
Очередность замыкания и размыкания контактов устанавливается при разработке электрических схем электровоза. Замыкание и размыкание тех или иных контактов в заданной последовательности производят путем включения в специальную цепь управления катушек вентилей и других аппаратов.
Переключения в цепи управления, а следовательно, и в силовой цепи осуществляют с помощью специального аппарата — контроллера машиниста. Машинист, ставя рукоятку контроллера на ту или иную позицию, подключает провода цепи управления к источнику тока с напряжением, безопасным для обслуживающего персонала. При этом срабатывает тот или иной аппарат силовой цепи.
Каждая позиция рукоятки контроллера фиксируется. Так, в описываемой схеме контроллер имеет 48 фиксированных позиций, не считая нулевой.
Для того чтобы выяснить, какие контакты контакторов замкнуты и какие разомкнуты при различных положениях рукоятки контроллера, и тем самым проследить пути прохождения тока, силовую схему дополняют таблицей последовательности замыкания и размыкания контакторов. Если бы не было такой таблицы, пришлось бы одновременно читать две схемы: силовую схему и схему цепи управления. Простейшая такая таблица была дана на рис. 35. В действительности же это более сложная таблица, в которой для каждого вида соединения тяговых двигателей (С, СП и П) указаны позиции рукоятки контроллера. Из таблицы видно, какие контакторы — индивидуальные, группового переключателя, ослабления поля замкнуты и какие разомкнуты на каждой позиции рукоятки контроллера. Пользуясь этой же таблицей, можно узнать, в какой последовательности переключаются контакторы группового переключателя при переходе с одного соединения тяговых двигателей на другое.
В начале пуска, когда рукоятка контроллера находится на первой позиции, двигатели соединены последовательно и в их цепь последовательно включено все сопротивление пускового резистора (для электровоза ВЛ23 оно равно 29,8 Ом). При этом замкнуты индивидуальные контакторы 1, 8, 16, 18 и контакторные элементы 28, 30, 34 группового переключателя1. Последние остаются замкнутыми на всех позициях
1 Номера контакторов сохранены такие же, как и в заводской схеме электровоза ВЛ23.
77
рукоятки контроллера, соответствующих последовательному соединению двигателей.
Если машинист переведет рукоятку контроллера на вторую позицию, замыкается контактор 22, закорачивающий секцию пускового резистора, сопротивление которой равно 9,45 Ом. Так, постепенно перемещая рукоятку контроллера с позиции на позицию, уменьшают сопротивление пускового резистора.
Переходя с одной реостатной позиции на другую, машинист по показаниям амперметра А следит за тем, чтобы ток в двигателе не превышал максимально допустимого по условиям сцепления (ток двигателей НБ-406, установленных на электровозах ВЛ23 и ВЛ8, не должен превышать 475—525 А). Чтобы не перегреть пусковой резистор, рассчитанный на кратковременное включение, рукоятку контроллера задерживают на реостатных позициях не более 30 с.
Пусковой резистор разбит на 15 секций, но реостатных позиций при последовательном соединении двигателей не 15, а 22, так как в процессе перехода с позиции на позицию часть секций включают последовательно, последовательно-параллельно или параллельно, как было показано выше.
На 23-й позиции пусковой резистор полностью выведен. Эту позицию в отличие от предыдущих называют ходовой, так как при движении на ней отсутствуют потери в резисторах.
Дальнейшее повышение скорости движения поезда может быть достигнуто, как мы уже знаем, путем применения ослабления поля или переключением двигателей на последовательно-параллельное соединение.
Ослабление поля перед переключением двигателей на последовательно-параллельное соединение, особенно при следовании с тяжелым составом, уменьшает последующие потери энергии в пусковом резисторе и позволяет несколько снизить его нагрев, так как поезд приобретет большую скорость и сократится время движения на реостатных позициях.
Из силовой схемы рис. 44 видно, что на электровозе ВЛ23 применено четыре ступени ослабления поля: их называют сокращенно ОГИ, 0112, ОПЗ, ОП4. Переход на ослабленное поле машинист осуществляет, переводя специальную рукоятку контроллера в положение ОП1. При этом замыкаются контакторы 52, 53, 60, 61, подключая параллельно обмоткам возбуждения тяговых двигателей шунтирующие резисторы и индуктивные шунты. Переход на следующие ступени ослабления поля производится переводом рукоятки ослабления поля на позиции ОП2, ОПЗ, ОП4, что вызывает соответствующее снижение ступенями сопротивлений резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения. Каждые четыре контактора ослабления поля включаются и выключаются одновременно
78
одним общим включающим или выключающим вентилем. На позиции ОП4 параллельно обмоткам возбуждения включены только индуктивные шунты ИШ.
Чтобы еще больше увеличить скорость движения поезда, необходимо перейти на последовательно-параллельное соединение двигателей. Для этого машинист должен предварительно перевести двигатели на режим полного поля. Процесс перехода на последовательно-параллельное соединение аналогичен описанному выше для восьмиосного электровоза.
После завершения перехода машинист с помощью рукоятки контроллера вновь ступенями уменьшает сопротивление пускового резистора, увеличивая напряжение, подводимое к двигателям. Затем машинист может использовать вновь четыре ступени ослабления поля в том же порядке, как уже было описано, и скорость движения поезда еще более возрастет.
Дальнейшее повышение скорости достигается переходом на параллельное соединение двигателей, который в принципе не отличается от перехода на последовательно-параллельное соединение. Он также совершается в три этапа, когда главная рукоятка переведена на 39-ю позицию.
На первом этапе в цепи тяговых двигателей, когда они еще соединены последовательно-параллельно, вводится часть пускового резистора (секции его соединяются в три параллельные цепи, рис. 45, а). Второй этап начинается с поворота кулачкового вала группового переключателя. Его контакторные элементы 35 и 27 включают резисторы Р1 и Р2, которые шунтируют двигатели III и IV соответственно (рис. 45, б). На третьем этапе кулачковый вал, продолжая поворачиваться, выключает контакторные элементы 34, 24, 28, после чего двигатель III отсоединяется от двигателей I—II, а двигатель IV — от группы двигателей V—VI (рис. 45, в). Затем контакторные элементы 26 и 36 выключают из цепи шунтирующие резисторы Р1 и Р2. Контакторный элемент 29 соединяет двигатели III и IV, а элемент 33 присоединяет их к уравнительному проводу.
По окончании перехода на 39-ю позицию ток проходит по трем параллельным цепям. Машинист, переводя главную рукоятку контроллера с 39-й до 48-й позиции, постепенно уменьшает сопротивление пускового резистора. Позиция 48-я — ходовая. На ней может быть использовано ослабление поля двигателей.
Таким образом, электровоз имеет 15 ходовых позиций: 23-, 38- и 48-ю позиции и по четыре дополнительных на каждой из них, соответствующих ступеням ослабления поля (рис. 46).
При ведении поезда чаще всего используют параллельное соединение двигателей с применением ослабления поля. Если, например, на
79
Рис. 45. Схемы перехода с последовательно-параллельного соединения двигателей на параллельное шунтированием (цепи тока показаны жирными линиями)
Рис. 46. Тяговые характеристики электровоза ВЛ23
обозначены буквами ОД с
крутом подъеме ток достигнет слишком большой величины, машинист переходит на более низкую ступень ослабления поля или на полное поле. В том случае, когда необходимо значительно понизить скорость, машинист переводит рукоятку контроллера с 48-й на 38-ю или 23-ю ходовую позицию.
При неисправности двигателя можно перейти временно на аварийный режим. Для этого машинист, установив, какой из двигателей неисправен, разрывает его цепь отключателем	двигателей
ОД. На силовой схеме рис. 44 ножи	отключателя	двигателей
одной цифрой (0Д1П либо ОД1У) или двумя ОДУ — VI или ОД1—II). Цифры указывают, какой двигатель или какая пара двигателей будут выведены из силовой цепи при выключении соответствующих ножей отключателя. Силовая цепь при аварийном режиме может быть собрана только с 24-й позиции контроллера, т. е. с последовательно-параллельного соединения, что автоматически обеспечивается соответствующими переключениями в цепи управления.
Силовые схемы других отечественных электровозов постоянного тока в принципе схожи с описанной. Отличаются они количеством тяговых двигателей, секций пускового резистора, способом перехода с одного соединения двигателей на другое, числом ступеней ослабления поля, способами защиты и т. п.
На многих электровозах можно осуществлять электрическое торможение, что, конечно, усложняет схемы их силовых цепей.
8.	Электрическое торможение
Двигатели постоянного тока, в том числе и тяговые, как уже было отмечено, обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как генераторы. При этом кинетическая и потенциальная энергия поезда преобразуются в электрическую.
Получаемая энергия превращается в тепловую в резисторах или возвращается в контактную сеть. В зависимости от этого различают два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное.
6—1773
81
При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети, переключают обмотки возбуждения во избежание размагничивания магнитной системы двигателей. Затем их включают параллельно, так как при последовательном соединении двигателей сумма э. д. с., индуктируемых в обмотках якорей, была бы слишком значительной и, сле-
Рис. 47. Циклическая схема реостатного торможения
довательно, опасной для изоляции.
Все параллельно соединенные двигатели включаются на общий резистор. Обмотки возбуждения двигателей соединяют по так называемой циклической схеме, показанной на рис. 47 для шестиосного электровоза. В циклической схеме обмотки возбуждения каждой пары тяговых двигателей, соединенных последовательно, включены в цепи двух других пар двигателей. Это необходимо по следующей причине. Нельзя гарантировать, что в каждой параллельной цепи двигателей будут индуктироваться совершенно равные э. д. с. Если в одной из параллельных цепей индуктируется большая э. д. с., то в ней увеличится ток в якорях и обмотках возбуждения этих двигателей, и э. д. с. будет продолжать нарастать. Тогда через обмотки двигателей, включенных в другие параллельные цепи, пойдет ток в противоположном направлении, магнитный поток двигателей уменьшится, ток будет нарастать еще интенсивней и двигатели выйдут из строя. При циклической схеме включения увеличение тока, например, в двигателях /, II вызовет увеличение его в обмотках возбуждения, а следовательно, повышение э. д. с. в двух других цепях двигателей. В результате э. д. с. во всех трех параллель
ных цепях уравниваются.
Тормозную силу, а следовательно, и скорость движения изменяют, регулируя сопротивление резистора. Реостатное торможение используют на электровозах постоянного тока ЧС2Т, ВЛ 19.
В случае рекуперативного торможения электрическая энергия потребляется электровозами, находящимися на одном участке с рекуперирующим и работающими в тяговом режиме. Если потребителей нет или используемая ими мощность меньше рекуперируемой электровозом, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающи
82
ми в режиме тяги, иногда вместо инверторов устанавливают поглощающие резисторы. Эти резисторы автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.
Применение рекуперации дает большой эффект: На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Но выгоды, получаемые благодаря электрическому торможению, этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому спуску, для того, чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами.
В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает. Все время притормаживать поезд нельзя, так как тормозные колодки могут перегреться и снизится сила торможения. Следовательно, средняя скорость следования по спуску будет ниже допустимой.
Тормозной эффект, создаваемый тяговыми двигателями, работающими в генераторном режиме, может обеспечить постоянную допустимую скорость движения по спуску. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней стабилизируется и другие электровозы на этом участке следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость.
Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего снижаются расходы металла и затраты на ремонт колесных пар.
Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря, стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением, как уже отмечалось, не может перейти автоматически в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко падает с уменьшением нагрузки, и индуктируемая э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.
Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения предварительно отключить от обмоток якорей и питать от постороннего источника энергии, например, от специального генератора электрического тока — возбудителя В (рис. 48). В этом случае можно установить в обмотках возбуждения такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения поезда уменьшится, и как следствие снизится э. д. с. двигателей, работающих в режиме генераторов, то достаточно увеличить ток возбуждения /в, чтобы поддержать необходимую э. д. с. и тем самым тормозной момент, создаваемый
6* 83
Рис. 48. Схема цепей рекуперативного торможения с независимым возбуждением тяговых двигателей
Рис. 49. Схема цепей рекуперативного торможения со стабилизирующим резистором
Рис. 50. Схема цепей рекуперативного торможения с противовозбуждением возбудителя
электровозом. Для этого регулируют ток /вв в независимой обмотке возбуждения генератора В (возбудителя) с помощью регулировочного реостата г. Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем ДВ, который питается от контактной сети.
Однако цепь, показанную на рис. 48, практически использовать нельзя, так как она работает неустойчиво. Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось, тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в этот момент в режиме генератора, изменит направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения в контактной сети, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет, и в поезде возникнут сильные толчки.
Напряжение в контактной сети часто колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается неодинаковое количество электровозов и электропоездов, да и величина потребляемой ими мощности меняется в очень широких пределах.
Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети должен поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит и тормозной момент, установленный машинистом в зависимости от условий движения поезда.
Предложено несколько схем, обеспечивающих поставленное условие. На многих электровозах ВЛ22М рекуперативное торможение осуществляется по схеме с так называемым стабилизирующим резистором (рис. 49). В этой схеме якорь возбудителя В включен последовательно 84
с обмоткой возбуждения ОВ тягового двигателя ТД. Параллельно якорю возбудителя и обмотке возбуждения двигателя подключен стабилизирующий резистор гСт-
В схеме образуются две электрические цепи. Одна из них — цепв тока рекуперации /р, который проходит от положительной щетки тягового двигателя через токоприемник в контактную сеть, затем через потребителей рекуперируемой энергии (например, другие электровозы) и по рельсам возвращается к рекуперирующему локомотиву. Далее через стабилизирующий резистор (но не через якорь возбудителя В, так как этому препятствует э. д. с., индуктируемая в нем) ток подходит к отрицательной щетке двигателя. Другая — цепь тока возбуждения /в, который от положительной щетки возбудителя В проходит так же, как и ток рекуперации, через стабилизирующий резистор гСт, затем по обмотке возбуждения ОВ двигателя и далее к отрицательной щетке возбудителя В.
Машинист, регулируя сравнительно небольшой ток в обмотке возбуждения генератора (возбудителя) /вв с помощью реостата г измени-ет в широких пределах напряжение возбудителя, а тем самым и ток в обмотках возбуждения тяговых двигателей. Это в свою очередь позволяет изменять ток рекуперации (тормозную силу).
Рассмотрим, какую роль играет стабилизирующий резистор при изменении напряжения в контактной сети. С уменьшением напряжения в сети ток рекуперации возрастает, что вызывает увеличение падения напряжения в стабилизирующем резисторе. Но стабилизирующий резистор входит также в цепь тока возбуждения /в возбудителя. С увеличением падения напряжения в стабилизирующем резисторе уменьшится ток возбуждения /в, что приведет к снижению магнитного потока обмотки возбуждения тягового двигателя. Это в свою очередь вызовет уменьшение э. д. с., создаваемой тяговым двигателем, работающим в режиме генератора, тем самым, и тока рекуперации /р.
С повышением напряжения в контактной сети ток рекуперации уменьшается, снижается и падение напряжения в стабилизирующем резисторе, тогда ток возбуждения /в увеличивается. В результате э. д. с. двигателя возрастает, и ток рекуперации достигает прежнего значения.
Схема рекуперации со стабилизирующими резисторами довольно устойчива, но она имеет и недостатки. Основной из них заключается в том, что в резисторах непроизводительно расходуется электрическая энергия. Так, например, на электровозе ВЛ22М для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей необходима мощность около 25 кВт, а для компенсации потерь приходится устанавливать возбудитель мощностью 60 кВт.
На электровозах ВЛ8, ВЛ 10 осуществлено рекуперативное торможение с использованием противовозбуждения возбудителя (рис. 50).
85
Для осуществления рекуперации обмотки возбуждения тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую, питающуюся от постороннего источника энергии, и обмотку, включенную последовательно в цепь рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами /р и Iss, направлены встречно. С увеличением тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети противокомпаундная обмотка, включенная последовательно в цепь якоря, снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшается возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. С повышением напряжения в контактной сети ток рекуперации уменьшается и все процессы в возбудителе происходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбужде-ния обмотки возбуждения двигателей включают так же, как при реостатном торможении, по циклической схеме. Это позволяет выравнивать токи в параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в одной из них.
Рекуперативное торможение с противовозбуждением возбудителя более экономично, чем с использованием стабилизирующих резисторов. Так, несмотря на то что мощность электровоза ВЛ8 в 1,7 раза больше мощности электровоза ВЛ22М, мощность генераторов возбудителей составляет 44 кВт.
Ток возбуждения генераторов (возбудителей), а следовательно, и тормозной момент устанавливают с помощью специальной тормозной рукоятки контроллера машиниста. При рекуперации так же, как и при работе в тяговом режиме, двигатели могут быть соединены последовательно, последовательно-параллельно и параллельно. Выбор той или иной схемы соединения двигателей во время рекуперативного торможения зависит от скорости движения электровоза.
Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят с помощью специального аппарата, называемого тормозным переключателем. По устройству тормозные переключатели аналогичны реверсорам. Так же как и реверсоры, тормозные переключатели могут быть барабанными и кулачковыми. На электровозах ВЛ8 и ВЛ 10 устанавливают по два кулачковых, тормозных переключателя, а на электровозах ВЛ22М — один барабанный.
V
АППАРАТЫ
И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1.	Токоприемники и разъединители
В упрощенном виде силовая цепь электровоза переменного тока со статическими преобразователями была показана на рис. 10.
Так же как и при описании силовой схемы электровоза постоянного тока, сначала рассмотрим отдельные участки упрощенной электрической цепи с включенными в нее электрическими аппаратами, разберемся в их назначении и действии для того, чтобы можно было затем прочитать реальную силовую схему электровоза переменного тока. Нет необходимости описывать детально электрические аппараты, назначение и действие которых такие же, как в электровозах постоянного тока. Эти аппараты имеют лишь некоторые конструктивные особенности, вызванные иным напряжением, разными механическими нагрузками и т. п.
Токоприемники электровозов и постоянного, и переменного тока устроены одинаково. Но так как ток, проходящий из контактной сети в цепи электровоза переменного тока, значительно меньше, чем у электровозов постоянного тока, то вместо двух полозов, как было отмечено, устанавливают один. Зато более высокое напряжение контактной сети (25 кВ) обусловливает необходимость применения более прочных в электрическом отношении изоляторов. Имеются и другие конструктивные особенности, описание которых не является необходимым для понимания работы электровозов переменного тока.
Разъединитель Р токоприемника предназначен для тех же целей, что и на электровозах постоянного тока, но его опорные изоляторы рассчитаны на более высокое напряжение. Включение и выключение разъединителя осуществляют также с помощью ручного привода. Далее в силовую цепь (см. рис. 10) включен аппарат, предназначенный как и на электровозах постоянного тока, для отключения силовой цепи от контактной сети при недопустимых перегрузках, коротких замыканиях. Но устройство и действие этого аппарата, называемого главным выключателем ГВ, отличается от устройства и действия быстродействующего выключателя электровозов постоянного тока.
87
2.	Главный выключатель
Отличие по устройству и действию главного выключателя (сокращенно называют ГВ) от быстродействующего выключателя определяется неодинаковым характером нарастания тока при коротких замыканиях и перегрузках, вследствие значительного индуктивного сопротивления силовых цепей электровоза переменного тока. Переменный ток в аварийных режимах не нарастает так резко (рис. 51), как постоянный (см. рис. 30). Кроме того, переменный ток изменяется синусоидально, и поэтому в определенные моменты времени имеет нулевое значение. Благодаря сказанному значительно облегчается разрыв силовой цепи и не требуется такого же быстродействия выключателя, как при постоянном токе.
Этими же причинами объясняется применение быстродействующих выключателей и высоковольтных выключателей на различных участках цепи электроснабжения электрифицированных железных дорог (см. рис. 2 и 8). Начиная от электрической станции (см. рис. 2 и 8) и до ввода на тяговую подстанцию дорог постоянного тока установлены высоковольтные выключатели. Контактную сеть защищают быстродействующие выключатели. На дорогах переменного тока все участки цепи энергоснабжения защищены высоковольтными выключателями.
В главных выключателях для гашения электрической дуги используют сжатый воздух. При включенном выключателе (рис. 52) ток от токоприемника через разъединитель, неподвижный и подвижной контакты, стержень, размещенный внутри проходного изолятора, пойдет в первичную обмотку силового трансформатора. Стержень служит одновременно первичной обмоткой трансформатора тока. Вторичная обмотка трансформатора тока соединена с катушкой электромагнита отключения ГВ.
В случае перегрузки или короткого замыкания ток в первичной и во вторичной обмотке трансформатора резко увеличивается. Вследствие этого сердечник электромагнита отключения ГВ втягивается в катушку и открывает пусковой клапан. Сжатый воздух, заполняющий бак, начинает давить на поршень главного клапана. Главный клапан открывается, и воздух из бака проходит в опорный изолятор и затем устремляется к замкнутым подвижному и неподвижному контактам.
Под действием сжатого воздуха подвижной контакт отходит от неподвижного, между ними образуется элек-
t
Рис. 51. Кривые, поясняющие характер изменения величины переменного тока при коротком замыкании цепи
88
Подвижной контакт
Рис. 52. Схема главного выключателя
трическая дуга. Сжатый воздух поступает в отверстие (сопло) в подвижном контакте и далее в дугогасительную камеру, а из нее через отверстия в атмосферу. Поток сжатого воздуха гасит дугу при нулевом значении тока спустя 0,03—0,04с после размыкания контактов.
Открывшийся главный клапан одновременно позволяет сжатому воздуху проходить также из бака в цилиндр пневматического привода разъединителя. Поршень его перемещается слева направо и своим штоком поворачивает рычаг, укрепленный на валу разъединителя. Следовательно, в силовую цепь включено два разъединителя: разъединитель токоприемника и разъединитель главного выключателя.
Нож разъединителя отходит от неподвижного контакта и соединяется с заземляющим устройством. Так как нож разъединителя не рассчитан на гашение электрической дуги, то, чтобы он не разрывал цепь под нагрузкой, движение его начинается несколько позже начала размыкания контактов главного выключателя. Это достигается благодаря каналу а, пропускающему в начале движения поршня часть воздуха из цилиндра пневматического привода разъединителя в атмосферу.
После разрыва цепи силового тока питание отключающего электромагнита прекращается. Пусковой, а затем главный клапан и подвижной контакт главного выключателя возвращаются в исходное
89
Рис. 53. Главный выключатель
положение. Однако нож разъединителя при этом не может включиться, так как его привод удерживается в отключенном положении защелкой, входящей в вырез штока поршня.
Для того чтобы снова включить цепь силового тока, машинист должен нажать на кнопку, замыкающую цепь включающего электромагнита. Его сердечник ударяет по защелке, ничем не удерживаемый вал разъединителя под действием включающей пружины поворачивается и нож разъединителя включается. При необходимости оперативного отключения цепи машинист нажимает кнопку Отключение ГВ. По катушке электромагни-
та ручного отключения проходит ток и сердечник, воздействуя на рычаг, открывает пусковой клапан. Отметим принципиальное отличие в действиях главного выключателя (рис. 53) и быстродействующего: при коротких замыканиях быстродействующий выключатель автоматически срабатывает, как только ток в защищаемой цепи превысит уставку БВ; главный выключатель сам не реагирует непосредственно на недопустимый ток. Эту функцию выполняет трансформатор тока.
3.	Регулирование скорости. Силовые трансформаторы
Трансформаторы, как известно, способны повышать или понижать подведенное напряжение переменного тока. Напомним, что в контактной сети электрических железных дорог переменного тока номинальное напряжение равно 25 кВ, а тяговые двигатели работают при напряжении 900—1500 В. Поэтому силовые трансформаторы электровозов переменного тока должны понижать напряжение до наиболее благоприятного для работы тяговых двигателей. Из теории работы трансформаторов известно, что отношение напряжения первичной обмотки £71 к напряжению вторичной обмотки 1/2 может быть принято равным отношению чисел их витков (соответственно аУ1 и ау2):
Ui___wi
U2~ w*'
90
Таким образом, выбирая необходимое соотношение между количеством витков первичной и вторичной обмоток, можно изменять и соотношение напряжений, а тем самым регулировать скорость вращения якорей тяговых двигателей. Это проще н экономичнее, чем регулировать скорость, включая в цепь тяговых двигателей пусковые резисторы с последующими перегруппировками двигателей. Следовательно, то или иное вторичное напряжение L/г можно получить, изменяя число витков в первичной (рис. 54, а) или вторичной (рис. 54, б) обмотке. Как же выгодней регулировать напряжение?
Казалось бы удобней изменять число витков в первичной обмотке понижающего трансформатора, так как ток в ней меньше и поэтому будут легче коммутирующие аппараты. В действительности регулирование напряжения в широких пределах на первичной стороне обычного трансформатора с двумя обмотками практически затруднено по следующей причине.
Если необходимо постепенно повышать напряжение на вторичной обмотке, то нужно уменьшать путем соответствующих переключений контактов 1, 2, 3 и 4 число витков в первичной обмотке. Тогда напряжение, приходящееся на один виток включенной на первичное напряжение части обмотки, будет по мере выполнения переключений увеличиваться. Одновременно магнитный поток в магнитопроводе трансформатора будет индуктировать э. д. с. и в витках части обмотки, отключенной от первичного напряжения Ui. Поэтому по мере уменьшения числа витков первичной обмотки общее напряжение между ее началом и концом будет возрастать. Если, например, число витков последней секции обмотки будет меньше числа витков всей обмотки в 5 раз, то при напряжении контактной сети 25 кВ напряжение между началом и концом первичной обмотки составит 25X5=125 кВ. На такое напряжение должна быть рассчитана изоляция трансформатора. Понятно, что такой способ на электровозах, где требуется регулировать напряжение, в широких пределах не применяют.
Чтобы практически осуществить регулирование на первичной стороне, в трансформаторе дополнительно устраивают специальную регулировочную обмотку.
На отечественных электровозах переменного тока всех серий регулируют напряжение на стороне низкого напряжения (см. рис. 54, б). Осуществить практически это не так просто, как кажется на первый взгляд. Допустим, что в начале пуска был замкнут контактор 1 и к потребителю подводилось напряжение, индуктируемое в секции а. Чтобы увеличить напряжение, нужно к секции а подсоединить секцию б, выключив контактор 1 и включив контактор 2. Но при этом на определенный промежуток времени потребитель будет отключен от источника питания, т. е. электровоз будет работать рывками. Можно было
91
Рис. 54. Регулирование напряжения на первичной (а) и вторичной (б) сторонах силового трансформатора
Рис. 55. Схемы переключения секций транс форматора с помощью переходного реактора
бы сделать и так: не отключая контактор 1, включить контактор 2 и только после этого выключить контактор 1. Однако и это плохо, потому что на некоторое время секция б окажется короткозамкнутой, что, конечно, недопустимо. Поэтому секции трансформатора переключают, используя переходные реакторы или резисторы (рис. 55, а).
Реактор представляет собой катушку без стального сердечника. Особенность реактора заключается в том, что величина его индуктивности не зависит от проходящего по катушке тока, а его э. д. с. пропорциональна скорости изменения тока.
В исходном положении начало и конец реактора подключены к одному выводу вторичной обмотки трансформатора (допустим, к выводу 2). Тогда ток нагрузки I делится между полуобмотками реактор-’ поровну и направлен в них встречно. Поэтому индуктивное сопротивление реактора равно нулю. Для увеличения напряжения, подводимого к потребителю, один вывод реактора отсоединяют от вывода 2 трансформатора и присоединяют к выводу 3 (рис. 55, б), тем самым замыкая накоротко секцию 2—3. Но ток короткого замыкания i0 будет неопасен для обмотки секции, так как он ограничен соответственно выбранным индуктивным сопротивлением реактора. Затем вывод реактора отсоединяют от вывода 2 трансформатора и присоединяют к выводу 3. В таком же порядке осуществляют последующие переключения секций трансформатора.
Переходный реактор используют также и для получения большего числа ступеней регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Для этого присоединяют к каждому выводу обмотки трансформатора два контактора (рис. 56, а). Нечетные и четные контакторы соединяют соответственно с двумя шинами, между которыми включен переходный реактор. Если замкнуты контакторы 1 и 2, к тяговым двигателям подводится напряжение первой секции, и ток направлен встреч-92
но в полуобмотках реактора так, как показано на рис. 55, б. Чтобы повысить напряжение и тем самым скорость электровоза, отключают контактор 2 и включают контактор 4 (рис. 56, б). При этом реактор работает как автотрансформатор и делит напряжение секции б пополам. К тяговым двигателям подводится напряжение t/c+0,5t/c = l,5t/c. Затем отключают контактор 1 и замыкают контактор 3. Тогда к тяговым двигателям подводится напряжение 2С/с и т. д. (потом 2,5t/c> 3UC...). Следовательно, такой способ перехода обеспечивает удвоенное число ступеней по отношению к числу выводов трансформатора.
При регулировании напряжения контакторы 1—8 (см. рис. 56, а) разрывают и замыкают электрические цепи под током. Поэтому они должны быть снабжены дугогасящими устройствами. Практически количество контакторов достигает нескольких десятков. Большое число дугогасящих устройств весьма усложнило бы устройство контакторов, их эксплуатацию и снизило надежность работы. Поэтому на электровозах для переключения секций трансформатора устанавливают дополнительные контакторы с дугогашением, которые, включаясь и выключаясь в определенной последовательности, обеспечивают переключение остальных контакторов при обесточенной цепи.
На электровозах серий ВЛ60, ВЛ60к, ВЛ80к для увеличения числа ступеней регулирования напряжения при минимальном количестве выводов трансформатора поступили так Вторичную обмотку разделили на две В каждой вторичной обмотке имеется основная несекционирован-ная (нерегулируемая) часть и секционированная (регулируемая), разбитая на четыре секции — с одинаковым числом витков, а следовательно, одинаковым напряжением Uc.
Рис 56. Схемы включения переходного реактора на различных ступенях регулирования напряжения
Рис 57 Схемы включения нерегулируемой и регулируемой обмоток трансформатора
93
Вначале нерегулируемую и регулируемую части включают встречно (рис. 57, а). При этом напряжение нерегулируемой части обмотки UB несколько больше, чем сумма напряжений каждой секции и напряжение, подводимое к двигателям, UK—Ua — 4UC. Далее последовательно уменьшают число встречно включенных секций. Переключение секций производят с использованием реактора. Когда все секции выключены, напряжение, подводимое к потребителю, равно UB.
Для дальнейшего повышения напряжения нерегулируемую часть обмотки и регулируемую включают согласно (рис. 57, б), последовательно подключая к нерегулируемой части одну за другой секции регулируемой обмотки. В конечном итоге получают напряжение у потребителя.
Все переключения обмоток, секций с помощью контакторов с дугогашением и без дугогашения должны происходить только в строго определенной последовательности. Осуществляют эти переключения групповым аппаратом, называемым главным контроллером.
4.	Главный контроллер
Главный контроллер, например, восьмиосного электровоза (рис. 58) имеет тридцать кулачковых контакторов без дугогашения и четыре кулачковых контактора с дугогашением, кулачковые валы, электрический двигатель, который называют серводвигателем (serve — обслуживать). Кинематическая схема главного контроллера сложна (рис. 59).
Вращение от серводвигателя через зубчатые колеса и червячное зацепление передается по двум направлениям: через первый мальтийский механизм (мальтийский крест,) зубчатую передачу на кулачковый вал контакторов с дугогашением; через понижающую зубчатую переда-
Рис. 58. Главный контроллер 94
Рис. 59. Кинематическая схема главного контроллера
Зубчатая передачи
Вал контакторов о дугогашением
'Вал контакторов переключения ступеней
чу и второй мальтийский механизм на кулачковые валы контакторов переключения ступеней и контакторы переключения обмоток. Эти два вала связаны зубчатой передачей, обеспечивающей необходимую последовательность переключения обмоток и секций. Благодаря мальтийским механизмам непрерывное равномерное вращение червячного колеса преобразуется в прерывистое движение с остановками кулачковых валов.
Валы мальтийских механизмов начинают вращаться только тогда, когда пальцы (поводки) входят в пазы мальтийских крестов. Наличие одного или двух поводков обусловливает разные углы поворота мальтийских крестов за один поворот червячного колеса. При двух поводках угол поворота мальтийского креста будет в 2 раза больше, чем при одном. Наличие зубчатых передач и подбор их передаточных чисел обеспечивают повороты кулачковых валов, необходимые для правильной работы главного контроллера.
5	Полупроводниковые вентили
В начале этой книги было уже отмечено, что в настоящее время наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока.
В качестве выпрямителей на электровозах переменного тока используют электрические вентили. Электрическим вентилем называют электротехническое устройство, проводимость которого резко зависит от направления электрического тока. Вентильный эффект можно получить на границе металла и электролита, металла и газа (ионные вентили), металла и полупроводника, двух полупроводников с различными примесями (полупроводниковые вентили). Вентили могут быть
95
Гибкий, шунт
5)
Радиатор
Рис. 60. Кремниевый вентиль
Крышка корпуса
Гадкий шунт
Втулка
Й
ГиВкий Мод
Стеклянный. изолятор^
Пластинка кремния
побью пластины
Расширяющееся производство
управляемыми и неуправляемыми. Проводимость управляемых вентилей можно изменять от низкой до высокой путем подачи управляющего сигнала.
Еще сравнительно недавно на электровозах переменного тока для преобразования тока использовали ртутные выпрямители. Ртутным выпрямителям свойственны серьезные недостатки. Для того чтобы подготовить их к работе, требуется время для разогрева; они имеют сложную систему управления, жидкостного охлаждения, в них не исключена возможность обратного зажигания, т. е. потеря вентильных свойств.
щроводниковых вентилей, и в
частности кремниевых, резкое улучшение их параметров, снижение стоимости позволили отказаться от ртутных вентилей. В настоящее вре мя на всех вновь выпускаемых электровозах переменного тока используют только кремниевые выпрямители. В электровозах серии ВЛ60 ртутные вентили на полупроводниковые заменяли при капитальном ремонте. Замена была закончена в 1973 г.
На электроподвижном составе используют вентили (рис. 60, а), рассчитанные на большую мощность. Основу вентиля составляет выпрямительный элемент в виде кремниевой пластины (рис. 60, б), толщиной 0,4—0,5 мм. Для увеличения односторонней проводимости в кремниевую пластину вводят специальные примеси. Чтобы защитить хрупкую пластину от механических воздействий, к ней припаивают с обеих сторон две вольфрамовые пластинки, имеющие примерно такой же коэффициент линейного расширения, как и кремний. Герметический корпус предохраняет выпрямительный элемент от проникновения влаги, пыли.
Катодом вентиля служит основание корпуса. Основание корпуса и гибкий вывод припаяны к вольфрамовым пластинкам. К другому концу гибкого вывода припаян наружный гибкий шунт с наконечником, служащий анодом. Интенсивное охлаждение полупроводникового вентиля обеспечивают, применяя алюминиевый радиатор, который навинчива-96
ют на стержень основания корпуса.
К основным величинам (параметрам), характеризующим электрические вентили,в том числе и кремниевые, относятся вольт-амперная характеристика, номинальный прямой ток, номинальное обратное напряжение, максимальный обратный ток. Вольт-амперная
Рис. 61. Вольтамперная характеристика кремниевого вентиля
характеристика показывает графически зависимость силы тока, проходящего через вентиль в прямом и обратном направлении, от приложенного напряжения (рис. 61).
При прямом (проводящем) включении вентиля с увеличением приложенного напряжения ток резко возрастает. Если вентиль включить в непроводящем направлении (левая часть рис. 61), ток, проходящий через вентиль, с увеличением обратного напряжения медленно возрастает. Это продолжается до определенного значения напряжения. Величина тока при этом составляет сотые доли процента от номинального прямого тока. По достижении предельного напряжения (ЦпрОб на рис. 61) обратный ток резко возрастает, и наступает пробой вентиля. Поэтому обратное напряжение, подводимое к вентилю, не должно превышать максимального значения t/проб, при котором происходит пробой.
Вентили рассчитывают на определенное номинальное обратное на-
пряжение, при котором заводом-изготовителем гарантируется их длительная работа без опасности возникновения пробоя.
В зависимости от номинального обратного напряжения вентили подразделяют на классы. Кремниевые вентили разбиты на 25 классов. Цифра класса, умноженная на 100, соответствует обратному номинальному напряжению в вольтах. Следовательно, номинальное обратное напряжение для кремниевых вентилей, например, восьмого класса будет 8ХЮ0=800 В. Вполне понятно, что чем выше класс вентиля, тем больше его стоимость. На электровозах устанавливают вентили не ниже класса 8.
На электрическое оборудование электровозов, в том числе и вентили, могут воздействовать перенапряжения, превосходящие иногда номинальное напряжение в несколько раз. Для того чтобы обратное напряжение, приложенное к вентилю, не могло превысить напряжения пробоя, вентили выбирают с соответствующим запасом.
Полупроводниковые вентили, устанавливаемые на современных отечественных электровозах, могут кратковременно пропускать в пря
7—1773
97
мом направлении ток более 1000 А, не выходя из строя, но не выдерживают обратного тока даже в пределах 1 А. Это объясняется тем, что прямой ток так же, как и выделяемое при прохождении его тепло, распределяется равномерно по всей площади полупроводника. Обратный же ток проходит по отдельным небольшим каналам, там где имеются дефекты в структуре полупроводника. Поэтому тепло выделяется в отдельных точках, что способствует пробою вентиля.
Учитывая это обстоятельство, кремниевые пластины вентилей стали изготовлять по особой технологии, добавляя специальные примеси. Это позволило получить более однородный состав пластины, что в свою очередь обеспечило более равномерную плотность тока по всей поверхности пластины, а значит, снизило вероятность ее перегрева и пробоя. Такие вентили получили название лавинных. Их широко применяют на электровозах.
При прохождении прямого тока через вентиль в нем вследствие наличия электрического сопротивления происходит падение напряжения и возникают потери энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла; чем больше ток, тем сильнее нагревается вентиль. Поэтому номинальный прямой ток длительного режима вентиля определяется допустимой температурой перегрева и стабильностью его характеристик. Чем интенсивней охлаждают вентиль, тем больший номинальный прямой ток можно гарантировать. Для охлаждения вентилей их снабжают радиаторами (см. рис. 60), которые обдувают воздухом.
Номинальный ток указан в обозначении вентиля. Например, кремниевые вентили, устанавливаемые на электровозах, имеют обозначение ВЛ200. Здесь В обозначает вентиль, Л — лавинный, 200 — номинальный прямой ток в амперах при условии оговоренной заводом-изготовителем интенсивности охлаждения.
6.	Вентильные преобразователи и схемы их включения
Вентильные преобразователи представляют собой устройства для преобразования электрического тока, напряжения, частоты с помощью электронных или ионных вентилей.
Различают вентильные преобразователи переменного тока в постоянный (выпрямители), постоянного тока в переменный (инверторы), постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Все эти возможности вентильных установок используют в настоящее время в той или иной степени на электроподвижном составе. Пока на электровозах переменного тока наиболее широко вентили используют для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, как увидим ниже, в пульсирующий).
98
Рис. 62. Схемы одиополупериодно- Рис. 63. Схемы двухполупериодного выпрямления го выпрямления
Из вентилей, соединенных в определенной последовательности, собирают выпрямительную установку (выпрямитель). Конструкция выпрямителя зависит от напряжения переменного тока, который нужно преобразовать в постоянный, тока нагрузки и схемы подключения выпрямителя к вторичной обмотке трансформатора.
Выпрямители могут быть соединены с обмоткой трансформатора различными способами. Самое простое включение показано на рис. 62*. Когда э. д. с., индуктируемая во вторичной обмотке трансформатора, а следовательно, и напряжение U, приложенное к выпрямителю, направлены слева направо (на рис. 62, а показано сплошной стрелкой), потенциал анода выпрямителя В выше, чем катода, и по цепи ток проходит. При изменении направления э. д. с. на противоположное выпрямитель не пропускает тока. Таким образом, по цепи нагрузки проходит не постоянный, а пульсирующий ток: он постоянен только по направлению (рис. 62, б). Такую схему на электровозе не применяют.
Для того чтобы через выпрямитель проходил ток в оба полупериода, применяют схему двухполупериодного выпрямления, либо с нулевым выводом вторичной обмотки, либо мостовую. В схеме с нулевым выводом вторичную обмотку трансформатора делят на две равные части, а выпрямитель и двигатель включают, как показано на рис. 63, а. Когда э. д. с., а следовательно, и напряжение в первый полупериод направлены слева направо (сплошная стрелка на рис. 63, а), проводит ток (открыт) выпрямитель В2, а выпрямитель В1 заперт: к нему приложено напряжение в непроводящем направлении. С изменением направления э. д. с. трансформатора на противоположное проводит ток вентиль В1. При этом в течение обоих полупериодов через двигатель проходит ток, изменяющийся от нуля до амплитудного значения и вновь до нуля.
* На рис. 62 и 63 для упрощения первичные обмотки трансформаторов не показаны.
7* 99
BemSu
Рис. 64. Схема плеча выпрямительной установки электровоза ВЛ80к
Рис. 65. Общий вид выпрямительной установки
Недостаток такой схемы выпрямления заключается в том, что в каждый полупериод работает только половина обмотки трансформатора, а значит расход меди на вторичную обмотку велик.
В случае мостовой схемы выпрямительная установка состоит из четырех плеч, образованных вентилями (см. рис. 63, б). Когда напряжение во вторичной обмотке трансформатора направлено слева направо, ток проходит через вентиль В1, нагрузку (двигатель), вентиль ВЗ и в обмотку трансформатора (сплошные стрелки). При противоположном направлении напряжения (штриховые стрелки) ток проходит через вентиль В2, нагрузку, вентиль В4 и возвращается в обмотку трансформатора. Следовательно, как и в предыдущей схеме, ток проходит каждый полупериод через нагрузку (рис. 63, в). В мостовой схеме работает полностью вторичная обмотка, но число вентилей при этом удваивается.
Естественно, каждая из этих двух схем выпрямления имеет свои преимущества и недостатки. На электровозах с полупроводниковыми кремниевыми выпрямителями применяют мостовую схему, а на электровозах с ртутными выпрямителями — с нулевым выводом вторичной обмотки.
Отметим наиболее важную причину широкого распространения мостовой схемы. Выше уже было сказано о том, что полупроводниковые вентили чувствительны к обратному напряжению. Поэтому, даже если в каждое плечо будет
100
включено только по одному вентилю, к нему будет приложено вдвое меньшее напряжение. В действительности каждое плечо моста имеет несколько последовательно включенных вентилей и несколько параллельных ветвей.
Переменная состайлятщая
-t-/ /
. \	/—
'Постоянная составляющая
Рис. 66. Кривая выпрямленного тока без сглаживающего дросселя и с дросселем
/
Рассмотрим, например,
выпрямительную установку
электровоза ВЛ80к (рис. 64). В каждом плече моста (рис. 65) имеется четыре последовательно включенных лавинных вентиля и двенадцать параллельных ветвей. Следовательно, всего в одной выпрямительной установке использовано 4X4X12 = 192 вентиля. Установка рассчитана на номинальный выпрямленный ток 3200 А и номинальное выпрямленное напряжение 1350 В. Она питает два тяговых двигателя. Поэтому на восьмиосных электровозах имеется четыре таких выпрямительных установки с общим количеством вентилей 768.
Чтобы обеспечить равномерное распределение обратного напряжения между вентилями, их шунтируют резисторами (см. рис. 65). Кроме того, устанавливают так называемые цепочки RC, состоящие из конденсаторов С и резисторов R. Эти цепочки предназначены для защиты вентилей от коммутационных перенапряжений, возникающих в момент прекращения прохождения обратного тока. Для того чтобы шунтирующие резисторы и цепочки не ставить на каждую параллельную ветвь, ветви соединяют резисторами связи Rc. Резисторы связи распространяют выравнивающее действие цепочек RC на все ветви плеча.
Кроме того, каждая выпрямительная установка снабжается довольно сложной защитой, срабатывающей в случае пробоя вентиля.
Использование лавинных вентилей, надежно работающих при перенапряжениях, позволило отказаться от установки шунтирующих резисторов, а затем от цепочек RC.
Для того чтобы сгладить пульсацию тока, в его цепь включают сглаживающие дроссели СД (рис. 66). Такой дроссель представляет собой катушку с большой индуктивностью, навитую на стальной сердечник.
В процессе нарастания тока (участок аб, см. рис. 66) в дросселях накапливается электромагнитная энергия, что препятствует резкому увеличению тока. При уменьшении тока (участок бв) дроссели, наоборот, отдают запасенную в них энергию в цепь, поддерживая уменьшающийся ток. В результате этого значительно сглаживается пульсация тока (сплошная линия на рис. 66).
101
Действие дросселя подобно действию маховика паровой машины или двигателя внутреннего сгорания, выравнивающего частоту вращения вала, неравномерность которой обусловлена возвратно-поступательным движением поршней.
7.	Принципиальная силовая схема
Познакомившись с отдельными участками силовой цепи электровоза переменного тока и ее электрическим оборудованием, рассмотрим для одной секции электровоза ВЛ80к принципиальную несколько упрощенную силовую схему (рис. 67). Ток от токоприемника проходит через дроссель ДП, снижающий уровень помех радиоприему, разъединитель Р, главный выключатель ГВ со своим разъединителем, в первичную обмотку силового трансформатора. Конец обмотки имеет через колесные пары электрический контакт с рельсами. Две вторичные об-
Рис. 67. Принципиальная силовая схема секции восьмиосного электровоза переменного тока
102
мотки al—ol и о2—а2 имеют несекционированную и секционированную части, которые могут включаться встречно и согласно. Каждая из вторичных обмоток питает свою выпрямительную установку. Наименьшее напряжение 58 В подводится к тяговым двигателям при встречном включении обмоток, наибольшее 1218 В при их согласном, включении. Все переключения во вторичной цепи силового трансформатора, обеспечивающие ступенчатое регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, осуществляются главным контроллером. Переключение выводов секционированной обмотки трансформатора производится без разрыва цепи тяговых двигателей с применением переходного реактора ПР.
Для того чтобы знать, на какой позиции главного контроллера замкнуты контакторы, пользуются диаграммой, часть которой показана на рис. 68. Черные линии на диаграмме соответствуют замкнутому положению контакторов. Как уже было отмечено, их 30 без дугогаше-11ия и 4 с дугогашением. Последние обозначены на рис. 67 и 68 буквами А, Б, В, Г. В число 30 контакторов входит и 4 для переключения обмоток трансформатора на встречное и согласное соединение.
Так как в силовых цепях электровозов переменного тока обычно применяют небольшое количество индивидуальных контакторов и все необходимые переключения осуществляют с помощью групповых аппаратов, то в схемах контакты группового переключателя в окружности не заключают (см. рис. 67) в отличие от силовых схем электровозов постоянного тока (см. рис. 44).
Благодаря тому, что пуск и регулирование скорости тяговых двигателей осуществляют изменением выпрямленного напряжения, оказалось возможным применить постоянное параллельное соединение тяговых двигателей в отличие от электровозов постоянного тока. Отпала также необходимость в пусковых резисторах.
Сглаживающие дроссели СД снижают пульсацию выпрямленного напряжения. Но все же полностью избавиться от пульсации тока с помощью дросселей не удается.
Для того чтобы уменьшить пульсацию тока в обмотках возбуждения двигателей, параллельно обмоткам постоянно включены шунтирующие резисторы Р1 (см. рис. 67). Назначение их следующее. Выпрямленный пульсирующий ток Имеет две составляющие: переменную и постоянную (см. рис. 66). Индуктивное сопротивление резисторов равно нулю, а обмотки возбуждения обладают значительной индуктивностью и оказывают большое сопротивление переменной составляющей тока. Поэтому переменная составляющая проходит в основном через резистор. Следовательно, тяговые двигатели электровозов ВЛ80к, как и других электровозов переменного тока, работают постоянно в режиме ослабленного поля. Кроме того, предусмотрены три
103
ступени ослабления поля путем включения параллельно обмоткам возбуждения с помощью контакторов резистора Р2 (первая ступень), затем части его (вторая ступень) и, наконец, только индуктивного шунта ИШ (резистор Р2 полностью закорочен).
Так же как в электровозах постоянного тока, изменение направления вращения тяговых двигателей осуществляется переключением обмоток возбуждения реверсором, контакты которого показаны на схеме. С помощью отключателей ОД можно отсоединить любой из тяговых двигателей в случае неисправности. Если выйдет из строя какая-либо выпрямительная установка, ее также можно отключить соответствующими отключателями вентилей ОВ. Одновременно отключаются и линейные контакторы ЛК.
Отметим одну особенность подключения тяговых двигателей к выпрямительным установкам. Проще всего, казалось бы, включить их так, как показано на рис. 63, б, т. е. чтобы каждая выпрямительная установка питала одни и те же тяговые двигатели. Но практически этого делать нельзя, так как напряжение каждой вторичной обмотки при работе главного контроллера изменяется поочередно, и на части позиций напряжения неодинаковы. Одинаковы они только на нечетных позициях главного контроллера.
Силовая схема, не обеспечивающая одинаковое напряжение на двигателях, практически непригодна, так как тяговые двигатели электровоза должны быть нагружены одинаково и обеспечивать наибольшую силу тяги без нарушения сцепления колес с рельсами. Для выполнения этого условия плечи выпрямительных установок разомкнуты и включены так, как показано на упрощенной схеме (рис. 69). Когда на
Рис. 68. Диаграмма замыкания контакторов главного контроллера
Рис. 69. Упрощенная силовая схема с разомкнутыми плечами выпрямительных установок
104
пряжение во вторичных обмотках направлено слева направо, ток обмотки al—ol проходит через плечо 1 выпрямительной установки, тяговый двигатель I (на схеме для упрощения показано по одному тяговому двигателю в цепи каждой выпрямительной установки), плечо 3 и в обмотку al—ol. Ток от обмотки 02—а2 проходит через плечо 5, тяговый двигатель 11, плечо 7 и возвращается в обмотку о2—а2. Пути токов, соответствующие этому полупериоду, показаны на рис. 69 сплошными стрелками.
В следующий полупериод напряжение в обмотках направлено справа налево. Ток из обмотки ol—al пойдет через плечо 6, двигатель 11, плечо 8 и возвратится в обмотку ol—al. Ток из обмотки а2—о2 пойдет через плечо 2, двигатель I, плечо 4 и возвратится в обмотку а2—о2. Следовательно, двигатели в течение одного периода изменения переменного тока поочередно подключаются сначала к одной («своей») вторичной обмотке, а затем к другой («чужой»). Тем самым обеспечивается одинаковое среднее напряжение на всех тяговых двигателях при неравных напряжениях во вторичных обмотках трансформатора.
8.	Электровозы с регулированием на стороне высшего напряжения
Регулирование на стороне высшего напряжения, как уже было отмечено выше (см. рис. 54, а), практически не может быть осуществлено изменением числа витков первичной обмотки трансформатора. Приходится применять трансформаторы с регулировочной обмоткой Р (рис. 70). Регулировочная обмотка Р размещена на дополнительном стержне сердечника силового трансформатора, как показано на рис. 70. Сечение среднего стержня делают вдвое больше, чем каждого крайнего. Выводы (отпайки) регулировочной обмотки, представляющей собой автотрансформатор, используют для регулирования напряжения на первичной обмотке П силового трансформатора, имеющего постоянный коэффициент трансформации, а значит и на вторичной обмотке В. В начале пуска двигателей электровоза замкнут контактор 5, и весь магнитный поток, создаваемый обмоткой Р, замыкается через нижний стержень трансформатора.
Напряжение на обмотке П равно нулю. Напряжение на обмотках П и В повышают путем переключения контакторов 1—5. В результате этого часть магнитного потока, создаваемого обмоткой Р, ответвляется в средний стержень, а часть проходит через нижний. Число витков обмотки Р вдвое больше числа витков обмотки В. Поэтому, когда переключатель секций обмоток Р займет среднее положение и число витков обмотки Р, подключенных к обмотке П, станет равным числу
105
Рис. 70. Схема регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора с дополнительным регулировочным автотрансформатором
витков обмотки В, весь магнитный поток будет замыкаться через средний стержень. При дальнейшем уменьшении числа витков обмотки Р, подключенных к обмотке П, магнитный поток среднего стержня будет превышать магнитный поток верхнего стержня и избыточная часть потока будет замыкаться через нижний стержень. Когда напряжение на обмотке П станет равным напряжению контактной сети, половина магнитного потока среднего стержня пойдет через верхний и половина — через нижний стержень. Следовательно, в верхнем
стержне при любой позиции переключателя магнитный поток не изменяется, и поэтому в обмотке Р не будут возникать напряжения, превосходящие напряжения в контактной сети, как это имеет место в схеме, показанной на рис. 54, а. Практически регулировочную обмотку в электровозах делят на 32—35 секций.
Достоинства системы регулирования на стороне высшего напряжения заключаются в сравнительно малых габаритах переключающих аппаратов, так как токи здесь в 10—20 раз меньше, чем при регулировании на стороне низшего напряжения. Кроме того, напряжения секций регулировочной обмотки не должны быть обязательно равны, как в электровозах постоянного тока. Ступени напряжения можно выбирать в зависимости от условий работы, на которые рассчитан элект-
тровоз.
Недостатки такой системы регулирования заключаются в сложной конструкции трансформатора и переключающей аппаратуры, рассчитанной на высшее напряжение, и сравнительно невысоком коэффициенте мощности (cos ф) .
Регулирование на стороне высшего напряжения применено на электровозах ЧС4, Ф и К, эксплуатируемых на наших дорогах.
9.	Электровозы двойного питания
В нашей стране, как мы отмечали, имеются железнодорожные линии, электрифицированные как на постоянном, так и на переменном токе. Как же осуществляется движение поездов в местах стыкования двух систем электрической тяги?
106
Существуют два способа решения этой проблемы: устройство так называемых станций стыкования, на которых секции контактной сети переключаются с одной системы тока на другую, и использование специальных электровозов двойного питания, способных работать как на переменном, так и на постоянном токе.
Новочеркасский завод создал электровоз двойного питания ВЛ82 на базе электровоза ВЛ80к.
Если электровоз работает на участке переменного тока, то первичная обмотка силового трансформатора (рис. 71) главным выключателем ГВ и переключателем рода тока ПТ, нож которого занимает горизонтальное положение (25 кВ), подключена к контактной сети. Ко
Рис. 71. Силовая схема одной секции электровоза двойного питания
вторичной нерегулируемой обмотке
напряжением 3000 В по мостовой схеме включена выпрямительная установка. Контакты 1 и 2 принадлежат переключателю выпрямительной установки. Контакт 1 замкнут, а 2 разомкнут, когда электровоз находится на участке переменного тока. В цепи тяговых двигателей имеются два пусковых резистора Р1 и Р2.
Главный контроллер такой же, как и на электровозах ВЛ80к (см. рис. 58 и 59); на электровозе ВЛ82 он используется для изменения
сопротивления пусковых резисторов и переключения тяговых двигателей с последовательного соединения на последовательно-параллельное. Когда пусковые резисторы выведены из цепи тяговых двигателей
на последовательном или последовательно-параллельном соединении (ходовые позиции), машинист может использовать четыре ступени ослабления поля.
Если электровоз входит на электрифицированный участок постоянного тока, нож переключателя рода тока занимает вертикальное положение (3 кВ), размыкается контакт 1 и замыкается контакт 2 переключателя выпрямительной установки. Эти переключения осуществляются автоматически под действием специальных реле.
Пуск и регулирование тяговых двигателей происходят так же, как и при питании однофазным переменным током. Цепь постоянного тока защищена быстродействующим выключателем БВ. Обмотки возбуж-
107
дения тяговых двигателей постоянно шунтированы резисторами, в цепи двигателей включены сглаживающие дроссели. Для упрощения схемы их не выключают и при работе на участках постоянного тока.
10.	Электрическое торможение
На электровозах переменного тока возможно применение как рекуперативного, так и реостатного электрического торможения. Использование рекуперативного торможения стало возможным после создания управляемых вентилей, в том числе и полупроводниковых. Полупроводниковые силовые управляемые вентили называют тиристорами.
В тиристорах можно задерживать на любое время начало прохождения прямого тока через вентиль, т. е. открытие тиристора при подаче прямого напряжения. Для этого имеется дополнительный управляющий электрод, на который, чтобы открыть вентиль, подают положительный потенциал. Но после того как тиристор открылся, он становится неуправляемым, т. е. управляющий электрод перестает влиять на прохождение тока и не может прекратить ток вентиля.
При рекуперации на электровозах переменного тока, так же как и на электровозах постоянного тока, тяговые двигатели работают в генераторном режиме, преобразуя кинетическую и потенциальную энергию поезда в электрическую постоянного тока. Чтобы передать эту энергию в контактную сеть, ее необходимо преобразовать в электрическую энергию переменного тока. Этот процесс называется инвертированием. Если выпрямительную установку электровоза переменного тока собрать из тиристоров, она может быть использована и как инвертор. Инвертирование, так же как и выпрямление, осуществляют по различным схемам (см. рис. 62 и 63).
Объясним принцип инвертирования на примере мостовой схемы (рис. 72, а). Для осуществления рекуперации тяговые двигатели переводят в генераторный режим при независимом возбуждении. Одновременно изменяют полярность щеток двигателей на противоположную, для того чтобы направление генерируемого тока соответствовало направлению прямой проводимости тиристоров. Сделать это нетрудно, установив соответствующее направление тока в обмотках возбуждения двигателей.
Напряжение от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подводится к инверторной установке, плечи которой соединены по схеме моста. В диагональ моста включена вторичная обмотка силового трасформатора.
Для того чтобы электрическую энергию передать в контактную сеть, необходимо прежде всего обеспечить прохождение тока двигателя, 108
работающего в режиме генератора через вторичную обмотку Н2—К2. Ток в ней должен быть направлен встречно по отношению к напряжению, индуктированному в этой обмотке. Предположим, что в первый полупериод напряжение в обмотке направлено слева направо (сплошная стрелка), тогда генерируемый ток должен проходить справа налево. Для этого нужно открыть вентили 2, 4. В следующий полупериод нужно открыть вентили 1, 3 и т. д. Так как частота тока в контактной се-
ти равна 50 Гц, то в течение 1 с т0Ра нужно 100 раз менять направление тока в обмотке Н2—К2. Кроме того, необходимо, чтобы напряжение, индуктируемое в первичной обмотке трансформатора, было бы несколько выше напряжения в контактной сети. Только при этом условии ток из первичной обмотки пойдет в контактную сеть.
Выделим одну очень важную особенность инвертирования. Как уже было сказано, управляемый вентиль закрыть при прохождении через него тока нельзя. Поэтому, если, допустим, были открыты вентили 1 и 3, а затем в начале следующего полупериода будут открыты вентили 2 и 4, то образуются две короткозамкнутые цепи: через вентили 1, 4 и 2,3.
Не вдаваясь в физическую суть процесса, отметим лишь, что во избежание короткого замыкания необходимо подать импульс, открыва-
Рис. 73. Упрощенная скема реостатного торможения секции электровоза ВЛ80т.
109
ющий вентили 2, 4, до того момента, пока изменяющееся синусоидально напряжение во вторичной обмотке не достигло нулевого значения (рис. 72, б). Угол р, отсчитываемый от момента открывания вентилей 2, 4 в нашем примере, до момента, в который напряжение «2 становится равным нулю, называют углом опережения открытия вентилей. В следующий полупериод должны быть открыты с тем же опережением вентили 1, 3 и т. д.
Процесс инвертирования значительно сложнее выпрямления и возможность возникновения аварийных ситуаций больше; запаздывание отпирания может привести к короткому замыканию в цепи.
Новочеркасским электровозостроительным заводом построены опытные образцы электровозов переменного тока с рекуперацией ВЛ80р на тиристорах. Они в настоящее время в виде опыта эксплуатируются на Северо-Кавказской дороге. Испытания показали, что возврат электрической энергии в контактную сеть на участках с уклонами до 9 %0 при рекуперации составил более 14% от электроэнергии, расходуемой в тяговом режиме.
Реостатное торможение на электровозах переменного тока может быть осуществлено по той же схеме, что и на электровозах постоянного тока (см. рис. 47).
Однако на современных отечественных электровозах ВЛ80г применена более совершенная система (рис. 73). Здесь каждый двигатель при реостатном торможении включается на свой резистор Р. Обмотки возбуждения ОВ соединяются последовательно и питаются от секции вторичной обмотки силового трансформатора через выпрямитель. Регулирование тока, проходящего через тормозные резисторы, а следовательно, и тормозной силы осуществляют изменением тока возбуждения /в с помощью тиристоров выпрямительной установки.
Применение тиристоров позволило осуществить систему оптимального автоматического регулирования тормозной силы (СОАРТС). Такая система обеспечивает снижение скорости по определенному закону, поддерживает скорость почти постоянной на спусках, обеспечивает использование предельной силы сцепления электровоза.
Разработанный Всесоюзным научно-исследовательским, проектноконструкторским и технологическим институтом электровозостроения (ВЭлНИИ) и изготавливаемый серийно НЭВЗом электровоз ВЛ80т не уступает по своему техническому уровню лучшим аналогичным зарубежным образцам.
Благодаря реостатному торможению повышается безопасность движения поездов, экономятся десятки тысяч тонн металла, идущего на изготовление тормозных колодок и бандажей колесных пар.
ПО
VI
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
1.	Компрессоры
и пневматическая цепь управления
С помощью компрессоров получают сжатый воздух, необходимый для привода в действие тормозов, аппаратов управления, песочниц, подачи звуковых сигналов. На электровозах, как правило, устанавливают два поршневых двухступенчатых компрессора.
Двухступенчатые компрессоры (рис. 74) имеют один или два цилиндра низкого и один цилиндр высокого давления. Во время движения поршня сверху вниз в цилиндре низкого давления создается разрежение (вакуум) и автоматически открывается всасывающий клапан. В полость между крышкой цилиндра и поршнем засасывается воздух. При обратном ходе поршня всасывающий клапан закрывается и воздух сжимается; когда его давление достигает определенной величины, открывается нагнетательный клапан. Давление регулируют, изменяя сжатие пружины, прижимающей нагнетательный клапан к седлу.
Из цилиндра низкого давления сжатый воздух проходит через охладитель и поступает в цилиндр высокого давления, поршень которого в это время движется вниз, способствуя всасыванию поступающего воздуха. Охладителем служит воздухопровод (см. рис. 74), соединяющий цилиндры низкого и высокого давления, который обычно размещают на крыше электровоза. Учитывая, что воздух предварительно сжимается в цилиндре низкого давления и объем его при этом уменьшается, цилиндр высокого давления делают меньшего диаметра. Воздух из цилиндра высокого давления нагнетается в главные
Рис. 74. Схема двухступенчатого комп рессора
111
резервуары, расположенные чаще всего на крыше электровоза. Почему на электровозах применяют двухступенчатые компрессоры? Это объясняется тем, что в одноступенчатом компрессоре максимально можно сжать воздух до давления 80 Н/см2. В конце хода сжатия между крышкой цилиндра и поршнем остается некоторое количество сжатого воздуха — воздушная подушка. При обратном движении поршня этот воздух расширяется и процесс всасывания начинается несколько позже начала хода всасывайия. Вполне понятно, что чем выше конечное давление, тем позже начинается всасывание, тем меньше объем всасываемого воздуха. Кроме того, при сильном сжатии в одной ступени температура воздуха становится настолько большой, что смазка внутри цилиндра может загореться.
На электровозах воздух обычно сжимают в первой ступени сжатия до 30 Н/см2 и во второй — до 90 Н/см2. После того как давление в главных резервуарах достигнет этой величины, оба компрессора автоматически выключаются. Когда в результате расхода и утечки сжатого воздуха его давление становится ниже 75 Н/см2, компрессоры автоматически включаются.
Рис. 75. Общий вид компрессора электровозов ВЛ8 и В Л10
112
Вал электрического двигателя соединяют с коленчатым валом компрессора с помощью зубчатого редуктора или муфты (рис. 75).
Источники сжатого воздуха и потребители его вместе с соответствующими аппаратами, трубопроводами, арматурой объединяют в различные пневматические цепи в зависимости от их назначения (так же как и электрические цепи). В электровозах по назначению различают три пневматические цепи с общими источниками сжатого воздуха— двумя компрессорами: тормозную1, вспомогательную и пескопода-чи. Так же как и электрические, пневматические цепи изображают графически в виде пневматических схем. Машины и аппараты, трубопроводы и другое оборудование показывают, используя условные графические обозначения, предусмотренные ГОСТами ЕСКД.
Рассмотрим принципиальную пневматическую схему вспомогательных цепей одной секции электровоза ВЛ80к (рис. 76). Сжатый воздух нагнетается компрессором в три главных воздушных резервуара, расположенных на крыше каждой секции электровоза. Резервуары соединены друг с другом и с питающей магистралью. От питающей магистрали через соответствующие приборы воздух поступает в тормозную цепь, цепь пескоподачи и вспомогательные цепи. К вспомогательным относятся цепи звуковых сигналов, управления главным выключателем, токоприемником и аппаратами, цепь нагрузочных устройств. О назначении нагрузочных устройств рассказано на стр. 156.
Звуковых сигналов на электровозе два — тифон и свисток. Тифон создает громкий низкого тона гудок, подаваемый в пути, свисток — тихий высокого тона звук; свистком пользуются при маневрах. Давление сжатого воздуха, питающего приводы аппаратов управления, стеклоочистителей и токоприемников, с помощью редуктора понижают до 50 Н/см2. В воздухопровод, подводящий воздух к приводу токоприемника, включены специальные блокировки, не позволяющие поднять токоприемник, если не закрыты двери в камеру, где расположено электрическое оборудование, находящееся под опасным для жизни напряжением. К вспомогательной цепи аппаратов и токоприемника присоединен резервуар, который заполняется сжатым воздухом пониженного давления, играющий роль буфера. Главный выключатель получает сжатый воздух из специального резервуара, который заполняется воздухом, поступающим из питающей магистрали.
Если нет сжатого воздуха в главных резервуарах, то для того, чтобы поднять токоприемник, предусмотрен вспомогательный компрессор, приводимый в действие двигателем, питающимся от аккумуляторной батареи. С помощью этого же компрессора заполняется резервуар
1 Описание тормозной пневматической цепи выходит за пределы задачи, поставленной в этой книге.
8—1773
113
X Кран разобщительный.
О Фильтр
£] Регулятор Шлепая
© Клапан злектропне1матичесний
Q Манометр
IX) Клапан обратный.
Q Редуктор
@ Клапан пнебматичесний
Рис. 76. Принципиальная пневматическая схема вспомогательных цепей
главного выключателя. Все вспомогательные цепи имеют фильтры для очистки воздуха от механических примесей, масла, влаги. Во вспомогательные цепи включены краны различного назначения (разобщительные, редукторные, трехходовые), манометры. Примерно так же построены вспомогательные пневматические цепи электровозов постоянного тока.
2.	Охлаждение машин и аппаратов
В процессе работы тяговых двигателей, выпрямительных установок, силовых трансформаторов, реакторов, индуктивных шунтов, пусковых резисторов, двигателей, вспомогательных машин и другого обору-
114
дования выделяется тепло. Если это тепло не отводить, то мощность машин и аппаратов не может быть использована полностью, так как они будут перегреваться и могут выйти из строя. Поэтому их охлаждают, предусмотрев для этого специальную принудительную вентиляцию.
Непрерывный поток охлаждающего воздуха создается центробежными вентиляторами. Принцип действия вентилятора основан на
Рис. 77. Схема центробежного вентилятора
следующем. При вращении вентиляторного колеса (ротора), снабженного лопатками (рис. 77), центробежная сила отбрасывает молеку-
лы воздуха к наружной части колеса и они попадают в расширяющийся кожух. Скорость молекул воздуха в расширяющемся кожухе начи-
нает уменьшаться, а давление их друг на друга увеличиваться, т. е. создается напор воздуха. От вентилятора воздух по воздухопроводам направляется к машинам и аппаратам.
Вследствие непрерывного выбрасывания молекул за пределы колеса вентилятора внутри него образуется разрежение и из атмосферы (снаружи кузова) засасываются новые порции воздуха. Засасываемый воздух проходит через жалюзи кузова, форкамеру (на шестиосных электровозах постоянного тока), сетку, приемного отверстия вентилятора к его лопастям, заполняя разреженное пространство. Форкамера изолирует вентиляционную систему от остального помещения кузова. Благодаря этому электрическая аппаратура и машины, расположенные в кузове, защищены от снега, влаги и пыли,
засасываемых вместе с воздухом.
На шестиосных электровозах постоянного тока обычно устанавливают два вентилятора — по одному на каждую тележку (рис. 78), на восьмиосных — по одному вентилятору в каждой секции, охлаждающему четыре тяговых двигателя, двигатель компрессора и пусковые резисторы.
Сложнее система охлаждения электровозов переменного тока (рис. 79). Воздух, всасываемый через жалюзи двумя центробежными
Рис. 78. Схема вентиляции тяговых двигателей шестиосного электровоза постоянного тока. (В каждой тележке условно показано по два двигателя вместо трех)
8* 115
Вентиляторы Выпрямительных установок, сглаживающих реакторов и силового трансторматопа
ВВигателеи ТдЦиТДИ щии реактор
Рис. 79. Схема вентиляции оборудования восьмиосного электровоза переменного тока
вентиляторами одной секции восьмиосного электровоза, проходит сначала по специальным каналам, охлаждая индуктивные шунты. Затем он нагнетается вентиляторами в тяговые двигатели. На каждые два двигателя имеется один вентилятор. Охлаждающий воздух через люк (см. рис. 26) поступает сначала к наиболее нагреваемому узлу двигателя — коллектору и затем через отверстия в корпусе выбрасывается наружу. Часть воздуха из воздуховодов через патрубки поступает в кузов, охлаждая электрическое оборудование, и создает в кузове повышенное давление, благодаря чему пыль с железнодорожного полотна вместе с наружным воздухом не попадает в кузов. В каждой секции электровоза имеются еще два спаренных вентилятора, которые работают параллельно; каждая пара приводится в действие своим двигателем. Воздух, засасываемый ими, прогоняется через выпрямительные установки в сглаживающие реакторы. Затем часть воздуха выбрасывается в атмосферу, а другая часть охлаждает секции теплообменника силового трансформатора, после чего также поступает в атмосферу. В теплообменнике воздух охлаждает трансформаторное масло, которое омывает обмотки силового трансформатора.
116
На электровозах двойного питания ВЛ82 и восьмиосных электровозах с реостатным торможением ВЛ80т дополнительно имеются вентиляторы, охлаждающие пусковые и тормозные резисторы. Двигатели этих вентиляторов включены параллельно резисторам (см. рис. 71 и 73). Частота вращения их изменяется в зависимости от силы тока, проходящего по резисторам, и, следовательно, падения напряжения на участках резисторов, к которым подключены двигатели. На электровозе ВЛ82 после выведения из силовой цепи пусковых резисторов двигатели этих вентиляторов перестают вращаться.
3.	Генераторы управления
Питание цепей управления, освещения, сигнализации на электровозах осуществляют от специальных генераторов управления. Эти генераторы позволяют получить безопасное для обслуживающего персонала напряжение.
На отечественных электровозах как постоянного, так и переменного тока цепи управления, освещения и сигнализации питаются постоянным током напряжением 50 В.
Нагрузка генераторов управления изменяется в очень широких пределах: в зависимости от режима ведения поезда включается разное число аппаратов; в ночное время приходится затрачивать дополнительную энергию на наружное и внутреннее освещение. При работе электровозов по так называемой системе многих единиц, когда один машинист управляет сразу двумя локомотивами, нагрузка генераторов значительно увеличивается, так как к ним подключается вдвое большее количество аппаратов.
Генераторы управления выполняют с параллельным возбуждением, что обеспечивает меньшее изменение напряжения при колебаниях нагрузки.
Как правило, на электровозах устанавливают два генератора управления. Параллельно им подключена аккумуляторная батарея. Генераторы обеспечивают заряд батареи. В случае необходимости аккумуляторы могут заменить генераторы управления.
На электровозах переменного тока некоторых серий для питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи используют выпрямительную установку.
Непрерывное увеличение мощности электрических локомотивов, применение новых устройств управления, сигнализации обусловливают необходимость повышения напряжения до НО В. Это уже практически осуществлено на тепловозах и на вагонах новых типов пригородных электропоездов и метрополитена.
117
4.	Привод вспомогательных машин
Все вспомогательные машины приводятся в действие с помощью электрических двигателей. При этом подход к выбору двигателей по роду тока и напряжения различен для электровозов постоянного и переменного тока.
На электровозах постоянного тока питание двигателей вспомогательных машин можно осуществить тремя способами: каждый двигатель подключить к контактной сети; соединить, например, по два двигателя последовательно; питать двигатели от специального преобразователя, понижающего напряжение.
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. В первом случае к двигателям подводится наибольшее напряжение, что усложняет и удорожает двигатели, затрудняет их коммутацию и пуск. Во втором случае условия коммутации и пуска более благоприятны, но при выходе из строя одного двигателя или приводимой им машины перестает работать и другая машина. Применение специального преобразователя напряжения усложняет электровоз, повышает его стоимость, увеличивает потери энергии в преобразователях.
Двигатели вспомогательных машин электровозов постоянного тока питают обычно непосредственно от контактной сети, но при этом применяют некоторые специальные меры: увеличивают диаметр коллекторов, включают в цепь демпферные (глушащие) и пусковые резисторы.
В качестве привода вспомогательных машин используют электродвигатели с последовательным возбуждением, обладающие большой перегрузочной способностью и надежностью.
Во время работы электровоза вентиляторы и генераторы управления в отличие от компрессоров действуют непрерывно, поэтому их размещают н.а одном валу и вращают одним общим электродвигателем.
На электровозах переменного тока величину напряжения переменного тока выбирают наиболее благоприятную для работы электродвигателей вспомогательных машин. С этой целью в силовом трансформаторе, кроме вторичных обмоток, питающих выпрямительные установки, предусматривают еще одну, к которой подключены потребители вспомогательных нужд электровоза, в том числе двигатели вспомогательных машин.
Вспомогательные машины отечественных электровозов переменного тока приводятся в действие трехфазными короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Они наиболее просты по конструкции, дешевы и надежны в эксплуатации.
Асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора (рис. 80). В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Обмотка ротора выполнена в 118
Рис. 80. Схема (а), статор (б) и ротор (в) асинхронного двигателя
Рис. 81. Схема, поясняющая устройство расщепителя фаз
виде беличьего колеса, которое сделано из медных или алюминиевых стержней, замкнутых с торцов двумя кольцами. Обмотки статора обычно соединяют в звезду. При включении обмоток в трехфазную сеть по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Эти потоки, складываясь, образуют общий результирующий магнитный поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу (частота 50 ГцХбО с). Вращающийся магнитный поток, пересекая обмотку ротора, индуктирует в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего ротор начинает вращаться.
Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется скольжением.
Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие частоты вращения магнитного потока: 1 500, 1 000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше ьгих значений.
Для работы асинхронного двигателя нужно иметь трехфазный переменный ток, в то время как в контактную сеть подводится энергия однофазного переменного тока. Поэтому на электровозе однофазный переменный ток необходимо преобразовать в трехфазный, что осуществляется с помощью специальной электрической машины — асинхронного расщепителя фаз (рис. 81).
Так же как и трехфазный асинхронный двигатель, расщепитель фаз состоит из статора и ротора, выполненного в виде беличьего
119
колеса. Б пазах статора укладывают три обмотки (три фазы), соединенные в звезду. Две фазы а и Ь, расположенные под углом 120°, образуют двигательную обмотку, а фаза с — генераторную. Двигательную обмотку соединяют со вспомогательной обмоткой трансформатора (однофазная сеть).
Однофазный переменный ток, проходя по двигательной обмотке, образует пульсирующий магнитный поток. Такой поток не может создать начального вращающего момента, и ротор расщепителя фаз остается неподвижным. Для того чтобы он начал вращаться, его нужно предварительно раскрутить.
На электровозах применяют два способа пуска расщепителя фаз: асинхронный и с помощью специального разгонного двигателя.
На отечественных электровозах используют асинхронный пуск с подключением пускового резистора. Расщепители фаз вначале запускают на холостой ход без нагрузки. Для этого обмотки а и b подключают к однофазной сети и контактором К соединяют генераторную фазу с со вспомогательной обмоткой трансформатора через резистор г. В результате этого магнитные потоки обмоток а, Ь, с расщепителя фаз оказываются сдвинутыми по фазе. Сдвиг фаз достаточен для создания вращающегося магнитного потока, и ротор расщепителя начинает вращаться.
Как только ротор двигателя достигнет установленной частоты вращения, специальное реле, называемое реле оборотов, отключит пусковой резистор.
После этого вращающий момент создается так же, как и в любом трехфазном асинхронном двигателе, если одну его обмотку отключить после достижения установленной частоты вращения. Магнитный поток, создаваемый вращающимся ротором, и пульсирующий магнитный поток, создаваемый двигательной обмоткой, суммируясь, индуктируют в генераторной обмотке э. д. с., которая сдвинута примерно на 90° относительно напряжения в двигательной обмотке. В результате создается трехфазная система линейных напряжений, подаваемых на асинхронные двигатели привода вспомогательных машин.
Расщепитель фаз используют не только как генератор трехфазного тока, но одновременно и как однофазный двигатель. На удлиненный конец его вала насаживают якорь генератора управления.
На части электровозов переменного тока некоторые вспомогательные машины приводят в движение двигателями постоянного тока. Например, на электровозе ВЛ80к установлено четыре таких двигателя. Два из них (серводвигатели) осуществляют поворот вала групповых переключателей, два других приводят в действие вспомогательные компрессоры (см. рис. 76). Двигатели постоянного тока, кроме серводвигателей, питаются обычно энергией от аккумуляторной батареи и их 120
включают в работу, когда нет напряжения в контактной сети. Серводвигатели при нормальной работе электровоза получают питание от генератора управления или от специальных выпрямительных установок цепи управления.
5.	Вспомогательные цепи и их электрические схемы
Построение электрической цепи вспомогательных машин зависит от величины напряжения и рода тока, выбранного для питания их привода, способа ограничения пусковых токов, способа обогрева кабин электровоза, характера защиты цепей от перегрузок и коротких замыканий. Электрические цепи привода вспомогательных машин электровозов постоянного и переменного тока резко отличаются друг от друга.
Сначала рассмотрим схему вспомогательных цепей восьмиосного электровоза постоянного тока, показанную на рис. 82. На ней изображены два двигателя компрессоров KJ и К. 2, два двигателя вентиляторов В1 и В2 вместе с приводимыми ими во вращение генераторами управления Г1 и Г2, двенадцать электрических печей ПО для отопления кабин. Это оборудование объединено в общую цепь, которая защищена от перегрузок и коротких замыканий быстродействующим выключателем БВ1. На схеме изображена и вторая цепь, в которую входят два двигателя П1 и П2, защищенных своим быстродействующим выключателем БВ2. Эти двигатели приводят во вращение генераторы, которые питают обмотки возбуждения тяговых двигателей во время рекуперации (см. рис. 50).
Напряжение от токоприемника при включенных крышевом разъединителе Р и быстродействующем выключателе БВ1 подводится к цепи двигателей компрессоров, вентиляторов и электрических печей. Для пуска компрессоров машинист соответствующими кнопками на пульте управления сначала включает их двигатели. При этом замыкаются контакторы 1 и 2. Величина пускового тока ограничивается общим демпферным резистором РД и демпферными резисторами Р1 и Р2.
Двигатели вентиляторов В1 и В2 могут быть соединены параллельно, при этом к каждому из них подводится полное напряжение сети 3 000 В (высокая частота вращения) или последовательно — по 1 500 В на каждый двигатель (низкая). Переключение двигателей вентиляторов с одного соединения на другое производится специальным аппаратом, называемым переключателем вентиляторов ПВ. Для получения высокой скорости машинист переводит переключатель в положение, при котором замкнуты контакты ПВ-В и контакторы 3 и 4.
Иногда большое количество охлаждающего воздуха не нужно, например при следовании электровоза резервом (без состава), а так
121
же при небольшой массе состава или во время стоянки. Тогда с целью экономии энергии вентиляторы переключателем ПВ соединяют последовательно, замкнув контакты ПВ-Н, включив контактор 4 и выключив 3.
Устройство переключателя мотор-вентиляторов подобно устройству реверсора (см. стр. 42). Разница заключается только в количестве сегментов и пальцев, а также в ином их расположении.
Так как оба генератора управления вращаются двигателями вентиляторов, то при переходе с высокой частоты вращения на низкую соответственно уменьшается и напряжение генераторов. Если при высокой скорости напряжение каждого генератора равно 50 В, то при низкой оно будет примерно в 2 раза меньше, т. е. 25 В. Чтобы не нарушать нормальной работы цепи управления, генераторы управления тоже переключают с параллельного соединения на последовательное. Переключение генераторов осуществляет переключатель вентиляторов ПВ. Для этого на нем установлены дополнительные сегменты и пальцы.
Пуск двигателей вентиляторов В1 и В2 в отличие от двигателей компрессоров производится с помощью пусковых панелей. Каждая пусковая панель состоит из проволочных резисторов РЗ, Р4 и контакторов 5, 6.
При пуске двигателей вентиляторов, например, на высокой частоте вращения контакторы 5 и 6 сначала разомкнуты и в цепь двигателей включены соответственно резисторы РЗ и Р4, ограничивающие пусковой ток. По мере увеличения частоты вращения пусковой ток уменьшается и, когда он достигает определенной величины, автоматически включаются контакторы 5 и 6, замыкая накоротко резисторы РЗ и Р4. Ток двигателей вновь несколько возрастает, но затем опять снижается.
Пусковые панели устанавливают в цепях двигателей вспомогательных машин большой мощности и с постоянным режимом включения. Двигатели компрессоров в процессе работы электровоза автоматически то включаются, то выключаются в зависимости от расхода сжатого воздуха. Поэтому здесь применять пусковые панели нецелесообразно.
В каждой кабине управления электровозом установлено по шесть электрических печей, разбитых на две группы. С помощью контакторов 7, 8, 9 локомотивная бригада может включить одну или две группы печей. Кожуха печей надежно соединены с кузовом электровоза, т. е. заземлены. Это предохраняет обслуживающий персонал от случайного попадания под высокое напряжение при повреждении изоляции печи. Напряжение в контактном проводе колеблется, иногда, в очень больших пределах. В соответствии с этим изменяется частота вращения двигателей вентиляторов; изменяется и напряжение генераторов управления. Чтобы автоматически поддерживать постоянство напряжения генераторов, используют специальные регуляторы напряжения.
122
Рис. 82. Принципиальная схема цепей вспомогательных машин и отопления восьмиосного электровоза постоянного тока
Рис. 83. Принципиальная схема цепей вспомогательных машин и отопления восьмисотого электровоза переменного тока
Регуляторы напряжения в зависимости от частоты вращения двигателей воздействуют на величину тока возбуждения, вводя или выводя из цепи возбуждения резисторы или подключая их параллельно цепям возбуждения.
Автоматическое включение и выключение компрессоров осуществляется специальным аппаратом — регулятором давления. Регулятор выключает компрессор при достижении давления в главных резервуарах 90 Н/см2 и вновь включает, когда давление понизится до 75 Н/см2.
Разность в давлении 15 Н/см2 не сказывается на работе аппаратов, приводимых в действие сжатым воздухом, тем более, что к аппаратам, за исключением песочниц и звуковых сигналов, сжатый воздух подводится через понижающие редукторы, но зато позволяет реже включать и выключать компрессоры. Это снижает расход электрической энергии и уменьшает износ оборудования.
Для ограничения тока короткого замыкания в цепь вспомогательных машин и электропечей, защищаемых быстродействующим выключателем БВ1, включен демпферный резистор РД. При переходе на рекуперацию машинист включает быстродействующий выключатель БВ2 и контакторы 10,11, тем самым осуществляя пуск двигателей П1 и 772.
123
Во вспомогательных цепях применяют электромагнитные контакторы (см. рис. 34). Это позволяет обеспечить включение электродвигателей вспомогательных машин, печей отопления, даже если нет запаса сжатого воздуха в резервуарах электровоза.
На рис. 83 показана вспомогательная схема восьмиосного электровоза переменного тока (одна секция). Два расщепителя фаз РФ первой и второй секций присоединены параллельно к шинам Cl, С2, СЗ. Шины С2 и С1 подключены к обмотке собственных нужд силового трансформатора, рассчитанной на 380 В, т. е. на одно из стандартных напряжений трехфазного тока, применяемого для питания асинхронных трехфазных промышленных двигателей.
Пуск расщепителей фаз, как уже было сказано, осуществляется с помощью пускового резистора Р. К шинам присоединены четыре асинхронных трехфазных двигателя МВ1—МВ4, которые приводят в действие два вентилятора, охлаждающих тяговые двигатели, и два спаренных вентилятора, охлаждающих выпрямительные установки (см. рис. 79). Кроме этого, один двигатель МК приводит в действие компре-сор и один двигатель МН насос силового трансформатора. Все они защищены от перегрузок и коротких замыканий тепловыми реле.
От обмотки собственных нужд получают питание печи для обогрева кабины машиниста, обогреватели санузла, нагреватели калорифера обдува лобовых стекол кабины.
В исключительных случаях возможен выход из строя тяговой подстанции. Тогда временно электрические локомотивы питаются от соседних подстанций. В таких ситуациях допускается снижение напряжения в контактной сети до 12 000 В. Для того чтобы по-прежнему к вспомогательным машинам подводилось напряжение 380 В, с помощью переключателя П их подключают к выводу 0 обмотки собственных нужд силового трансформатора. На рис. 82 и 83 показаны вольтметры, которые отградуированы по напряжению контактной сети.
VII
УПРАВЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРОВОЗАМИ И ЗАЩИТА ИХ ОТ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
1. Непосредственное и косвенное управление. Контроллеры машиниста
Машинисту приходится управлять тяговыми двигателями электровоза мощностью в несколько тысяч киловатт. Без помощи специальной системы управления осуществить пуск электровоза, регулировать скорость движения, изменять направление движения или остановить локомотив было бы невозможно.
Достаточно вспомнить хотя бы о последовательности включения и выключения индивидуальных контакторов, контакторов группового переключателя и других аппаратов, о том небольшом времени, исчисляемом иногда долями секунды, которое затрачивается на их переключение, чтобы представить всю сложность управления аппаратами одной только силовой цепи.
В зависимости от способа осуществления переключений электрических аппаратов в силовой цепи электровоза различают систему непосредственного управления и систему косвенного управления.
При системе непосредственного управления (рис. 84) электрические аппараты, включенные в силовую цепь, приводятся в действие непосредственно аппаратом управления — контроллером машиниста.
В простейшем случае контроллер имеет барабан из изоляционного материала. На барабане укреплены медные сегменты и неподвижные контактные пальцы, к которым подведены провода от разных элементов схемы. В зависимости от положения (позиции) рукоятки контроллера и конфигурации сегментов барабана они замыкают те или иные контактные пальцы, которые включают или выключают секции пускового резистора и осуществляют другие переключения, изменяя режим работы тяговых двигателей.
Каждая позиция рукоятки контроллера фиксируется специальным механизмом.
На нулевой позиции все контакты разомкнуты и тяговые двигатели отключены от контактного провода. Когда машинист ставит рукоятку контроллера на 1-ю позицию, сегмент барабана замыкает два
125
Рис 84 Схема включения контроллера машиниста при непосредственном управлении тяговыми двигателями
Рис. 85. Схема включения контроллера машиниста при косвенном управлении тяговыми двигателями
верхних пальца, включая тем самым цепь тока: токоприемник, пусковой резистор, тяговый двигатель. На 2-й позиции осуществляется электрический контакт между сегментом и третьим пальцем, в результате чего часть пускового резистора выключается из цепи, и частота вращения двигателя увеличивается. На 3-й позиции замкнуты все четыре пальца, и резистор полностью выведен из цепи.
Система непосредственного управления может быть применена только при двигателях небольшой мощности и сравнительно невысоком напряжении в контактной сети. Когда мощность двигателей значительна, в момент разрыва цепи тока будет возникать электрическая дуга, погасить которую при такой системе переключений трудно.
Кроме того, к контроллеру подводится полное напряжение контактной сети, что создает опасность для обслуживающего персонала. Есть еще одно важное обстоятельство: для обеспечения достаточной электрической прочности изоляции контроллер пришлось бы делать очень больших размеров. Поэтому на электровозах система непосредственного управления не применяется.
126
В системе с косвенным управлением (рис. 85) аппараты силовой цепи приводятся в действие электропневм этическим, электромагнитным или электродвигательным приводами. Машинист, осуществляя переключения в цепи управления, включает или выключает эти приводы.
Как и в системе с непосредственным управлением, основным аппаратом цепи управления является контроллер машиниста. Однако теперь этот аппарат производит переключения не непосредственно в силовой цепи, работающей под высоким напряжением и с большими токовыми нагрузками, а в низковольтной цепи управления.
Машинист, вращая рукоятку контроллера, подключает провода цепи управления к источнику электрической энергии в строго определенной последовательности. При этом срабатывают приводы соответствующих аппаратов силовой цепи и их контакты замыкаются либо размыкаются. На 1-й позиции сегмент барабана контроллера замыкает цепь управления, в которую включена катушка электропневматического привода контактора 1 (это положение показано на рис. 85). Контактор включается и замыкает цепь тяговых двигателей. Пусковой резистор полностью вводится в силовую цепь.
На 2-й позиции контроллера замыкается контактор 2 и часть пускового резистора отключается. На 3-й позиции включается контактор 3. Резистор полностью выводится, и двигатели работают на автоматической характеристике.
На современных электровозах с помощью контроллера машинист осуществляет пуск тяговых двигателей, переключает их с одного соединения на другое, производит ослабление поля, изменяет направление движения электровоза, переключает двигатели в генераторный режим. Несмотря на многочисленность функций контроллера для простоты управления его стремятся выполнить с минимальным числом рукояток.
Контроллер машиниста электровоза постоянного тока (рис. 86) имеет рукоятки — главную, реверсивную и для управления ослаблением поля. На электровозах с электрическим торможением рукоятка ослабления поля используется и как тормозная — для регулирования тока рекуперации. Кроме того, в этом случае добавляется еще одна рукоятка, селективная, необходимая для переключения двигателей, работающих в I енераторном режиме, с одного вида соединения на другой.
Каждая рукоятка снабжена устройством, фиксирующим ее различные положения (позиции). Рукоятки контроллера располагают так, чтобы машинисту было удобно ими пользоваться. Специальные механические блокировки не допускают ошибочных перемещений рукояток при управлении электровозом. Например, главную рукоятку нельзя перевести, если реверсивная находится в нейтральном (нерабочем)
127
положении, и, наоборот, машинист не может повернуть реверсивную рукоятку, пока главная находится не в нулевом положении. Благодаря этому исключается возможность случайного реверсирования тяговых двигателей под нагрузкой.
Реверсивную рукоятку делают съемной, ее можно вынуть только при нулевом (исходном) положении остальных рукояток. На электровоз выдается одна реверсивная рукоятка. Поэтому машинист при переходе из одной кабины управления в другую обязательно поставит все рукоятки в нулевое положение. Машинист, уходя с электровоза, обязан взять с собой реверсивную рукоятку.
Рукоятку ослабления поля можно перевести из положения «Полное поле» в одно из положений «Ослабленное поле» только тогда, когда главная рукоятка занимает положение, соответствующее какой-либо ходовой позиции.
На современных электровозах устанавливают контроллеры кулачкового типа. Когда машинист переводит главную рукоятку контроллера с одной позиции на другую, поворачивается связанный с ней кулачковый вал. На вал насажен ряд фасонных дисков (кулачковых шайб) с впадинами и выступами (рис. 87, а). Против каждой шайбы на стойках укреплены подвижные и неподвижные контакты (контактные элементы), к которым присоединены провода цепей управления. Если выступ диска касается ролика, то контакты разомкнуты (рис. 87, б). Как
Рис. 86. Контроллер машиниста электровоза постоянного тока
128
К катушкам приводов аппаратов
только впадина диска подойдет к ролику, он провалится в нее и под действием пружины контакты замкнутся (рис. 87, в), а значит замкнется цепь, в которую включен контакторный элемент, и соответствующий аппарат сработает. Следовательно, очередность замыкания и размыкания проводов цепи управления и, как результат, очередность переключения аппаратов силовой цепи будет зависеть от взаимного расположения впадин и выступов кулачковых шайб контроллера.
2. Электрические блок-контакты (блокировки)
Электрические аппараты силовой цепи должны включаться и выключаться в строго установленной последовательности. Для обеспечения требуемой очередности действия аппаратов силовой цепи большинство из них снабжено специальными блокировочными контактами — блокировками, включенными в цепи управления. Эти блокировки связаны с механизмом, приводящим в действие тот или иной аппарат. Они замыкаются или размыкаются одновременно с главными контактами аппарата (либо с небольшим опозданием или опережением), производя необходимые переключения в цепях управления.
Применяют два вида блок-контактов: замыкающие и размыкающие. При замыкающем блок-контакте блокируемая цепь разорвана, когда аппарат занимает нормальное положение, т. е. в цепи управления им нет тока, и замкнута при прохождении тока в цепи управления.
Размыкающий блок-контакт разрывает блокируемую цепь, когда по цепи управления проходит ток, и, наоборот, замыкает ее при нормальном положении аппарата.
Нормальным в общем случае считают положение аппарата, когда при обесточенной цепи разомкнуты главные контакты. Как уже было отмечено раньше, такое определение не всегда достаточно, например, для группового аппарата. Поэтому для группового переключателя
Кулачковая шайва
Стойки
Рис. 87. Кулачковый вал контроллера машиниста (а), схема контакторного элемента в разомкнутом (б) и замкнутом (в) положениях
Пружина
ъ-хпз
129
условились нормальным считать положение, соответствующее последовательному соединению двигателей, для реверсора — положение «Вперед», для ножей отключателя двигателей — включенное положение, для переключателя обмоток трансформатора — положение, соответствующее встречному включению их. Чтобы можно было определить, какому аппарату принадлежит тот или иной блок-контакт, около графического изображения блок-контакта указывают номер аппарата, присвоенный ему в силовой схеме, или его буквенное обозначение.
В соответствии с ГОСТ ЕСКД блок-контакты электрических аппаратов изображают так же, как их главные контакты.
Поясним на примере, как с помощью блок-контактов обеспечивают заданную последовательность действия аппаратов (рис. 88).
Допустим, что для нормальной работы электровоза необходимо выдержать три условия. Первое из них заключается в том, чтобы контактор I мог замыкать свои контакты на 1-й позиции только тогда, когда групповой переключатель находится в положении, соответствующем последовательному соединению двигателей. Для обеспечения такой зависимости в цепь катушки / электромагнитного вентиля контактора включен блок-контакт группового переключателя, замыкающийся при положении аппарата, соответствующем последовательному соединению тяговых двигателей. На электрических схемах электровозов такой блок-контакт обозначается К.СП-С. Последняя буква С обозначает сериесное (последовательное) соединение двигателей. Второе условие требует, чтобы контакт 2 включался на I-й позиции контроллера только после того, как включится контактор 1. Для этого в цепь катушки 2 электромагнитного вентиля контактора включен замыкающий блок-коитакт контактора 1. Третье условие предусматривает, что контактор 3 должен замкнуться на 2-й позиции контроллера только после того, как выключится контактор 1. Выполнение этого требования обеспечивается тем, что в цепь катушки 3 включен размыкающий блок-контакт 1 контактора 1, который замкнут, когда этот контактор отключен.
Перечисленные условия могут быть дополнены и другими, например, таким. Из второго условия следует, что как только контактор 1 на 2-й позиции отключится, его блок-контакты 1 в цепи катушки контактора 2 разомкнутся и контактор 2 тоже выключится. Если в соответствии с условиями работы электровоза этого нельзя допустить, то замыкающий блок-контакт 1 в цепи катушки контактора 2 шунтируют так называемым блок-контактом независимости 2. Этот блок-контакт нормально разомкнут, но как только контактор 2 включится, блок-контакт 2 замкнется и зашунтирует блок-контакт 1. Таким образом, в дальнейшем контактор 2 будет включен независимо от того, включен или выключен контактор 1.
130
Рис. 88. Пример включения блокировок Рис. 89. Блокировочное устройство иидиви-в цепь управления	дуального контактора
В качестве примера конструктивного выполнения рассмотрим блокировочное устройство, показанное на рис. 89. При впуске сжатого воздуха в цилиндр контактора (рис. 89, а) изоляционный стержень поднимается вверх. Колодка, соединенная рычагом и тягой с изоляционным стержнем, поворачивается вокруг оси рычага. Медная контактная пластина, укрепленная на колодке, при этом замыкает блокировочные пальцы. На рис. 89, б показан блок-контакт замыкающий. Если медную пластину расположить так, как изображено на рис. 89, в, то получим размыкающий блок-контакт.
3 Схема цепи управления электровоза постоянного тока
При описании силовой схемы было отмечено, что все аппараты имеют определенную нумерацию. Например, напомним, что индивидуальным контакторам электровоза ВЛ23 присвоены номера с 1 по 23 (см. рис. 44). Для облегчения чтения схемы цепи управления катушкам вентилей, управляющим включением и выключением аппаратов, присвоены те же номера. Те же номера проставляют у блок-контактов аппаратов. Блок-контакты группового переключателя тяговых двигателей в схеме цепи управления условно обозначены буквами КСП с добавлением соответствующей буквы в зависимости от схемы соединения, а катушки его электромагнитных вентилей имеют обозначения В1, В2, В КВ.
9* 131
Рнс. 90. Схема цепей управления шестиосного электровоза постоянного тока без рекуперации
Блок-контакты группового переключателя КСП-С, как уже отмечалось, замкнуты, когда он находится в положении, соответствующем последовательному соединению двигателей. При этом вентили привода аппарата не возбуждены в интервале от нулевой до 23-й позиции главной рукоятки включительно. Блок-контакты КСП-СП группового переключателя замкнуты только при последовательно - параллельном соединении двигателей, КСП-СП-П — при последовательно-параллельном и параллельном соединении и КСП-П— при параллельном соединении. Катушки электромагнитных вентилей реверсора и его блокировки на схеме обозначены Вп (Вперед) нНаз (Назад).
Все соединительные провода цепи управления пронумерованы (с 1 по 32). Поскольку на рис. 90 изображена упрощенная схема, на ней не показаны провода с номера 7 по 23. Цепи управления питаются от генератора управления ГУ. Параллельно генератору включена аккумуляторная батарея, питающая эти цепи при опущенном токоприемнике, а также в случае, когда генераторы неисправны.
Н а отечественных электровозах применено однопроводное питание. Это значит, что один полюс генератора управления (обычно положительный) соединен проводами
132
/ 2 3 U 5 е п IS IS П № Шшш.цш'
Рис 91 Пример развертки шайбы кулачкового вала контроллера
с аппаратами, а другой—с рамой кузова электровоза, к которой присоединены соответствующие выводы обмоток аппаратов. Такой способ соединения позволяет сократить количество и длину проводов, упрощает монтаж.
Для того чтобы можно было прочитать схему, необходимо показать на ней расположение выступов и впадин шайб контроллера, так как от этого зависит, в каком положении находятся контакты аппаратов: замкнуты или разомкнуты. Обычно это делается так: мысленно развертывают каждую шайбу в плоскость, делят эту плоскость вертикальными линиями на столько равных частей, сколько позиций имеет главная рукоятка (рис. 91).
Когда контакторный элемент контроллера находится против впадины шайбы, его контакты замкнуты На развертке это показывают зачерненными точками на вертикальных линиях (на рис. 91 внизу). Если контакторный элемент остается включенным, на нескольких соседних позициях контроллера допускается вместо зачерненных точек показывать сплошную зачерненную линию (верхняя часть развертки шайбы на рис 91)
Следовательно, контакторный элемент, положение которого зависит от конфигурации шайбы, на позициях 1—6 и 14—18 замкнут, на 7—13 разомкнут и вновь размыкается на позиции 19.
Упрощенная развертка кулачковых шайб главного вала контроллера электровоза ВЛ23 изображена в левой части рис. 90. Количество горизонтальных линий на развертке соответствует числу кулачковых шайб, посаженных на вал. В данном случае контроллер имеет 26 кулачковых шайб (на рис. 90 показана лишь часть кулачковых шайб и часть позиций главной рукоятки контроллера). С правой стороны развертки условно изображены контакторные элементы контроллера, которые замыкаются и размыкаются кулачковыми шайбами.
Изучая схему цепи управления на каждой позиции контроллера, рассматривают прохождение тока и определяют, какие аппараты при этом срабатывают в силовой цепи.
Для примера проследим, что происходит в цепи управления, когда главная рукоятка контроллера машиниста переводится с нулевой позиции на 1-ю. Перед этим машинист должен пустить в ход вспомогательные машины, включить быстродействующий выключатель и реверсивную рукоятку контроллера поставить в положение Вперед или Назад. Вспомогательные машины предварительно включают для того, чтобы создать запас сжатого воздуха, необходимый для работы при
133
водов аппаратов, и обеспечить работу генератора управления. На 1-й позиции от провода Н1 через замкнутые контакторные элементы напряжение подается на общую шину контроллера и от нее на провода 6 и 26 (в действительности напряжение подводится и к другим проводам, не показанным на схеме).
От шины контроллера получает питание провод 1 и катушка электромагнитного вентиля реверсора Вп, когда реверсивный вал поставлен в положение Вперед, или провод 2 и катушка Наз, когда реверсивный вал находится в положении Назад.
Реверсор займет соответствующее положение — положим, Вперед. При этом в проводе 1 замкнутся блок-контакты Вп, и по цепи — катушки электромагнитных вентилей 1, 18, провод 1Е, блок-контакты КСП-С, провод 26, корпус — пойдет ток.
Это может быть только при условии, если включен БВ и, следовательно, замкнуты его блок-контакты в цепи провода 1А—1Б, групповой переключатель находится в положении, соответствующем последовательному соединению двигателей, иначе блок-контакты К.СП-С будут разомкнуты.
Поэтому, прежде чем поставить рукоятку контроллера на 1-ю позицию, машинист должен установить реверсивную рукоятку в соответствующее положение и включить быстродействующий выключатель. Для этого он нажимает кнопку БВ, в результате чего получает питание удерживающая катушка БВ, если, конечно, замкнуты блок-контакты 96 и 124. Затем машинист нажимает на кнопку Возврат БВ и отпускает ее. При этом открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр быстродействующего выключателя.
Попутно отметим, что быстродействующий выключатель можно включить лишь, когда главная рукоятка контроллера находится в нулевом положении. Только тогда через провод 32 получит питание цепь катушки Возврат БВ. На всех остальных позициях, кроме нулевой, контакторный элемент 32 будет разомкнут. Сделано это не случайно. При отключении быстродействующего выключателя машинист будет вынужден поставить главную рукоятку контроллера на нулевую позицию и только после этого включить быстродействующий выключатель и повторить весь процесс пуска сначала. Тем самым исключается возможность включения БВ на любой промежуточной позиции.
Допустим, машинист мог бы после отключения БВ включить его вновь на промежуточной позиции. Что же произошло бы при этом? За время после отключения БВ скорость движения поезда могла резко снизиться. Тогда в момент включения э. д. с. тяговых двигателей будет значительно меньше, чем прежде, а в цепь может быть введено слишком малое сопротивление пускового резистора. В результате возникнет недопустимый бросок тока.
134
От провода IE для тока есть и второй путь: через блок-контакт 1, принадлежащий линейному контактору 1, на корпус. По этому пути ток может пройти, как только контактор 1 замкнется; тем самым обеспечивается соединение провода 1Е с корпусом на всех последующих позициях.
В действительности, на 1-й позиции включаются индивидуальные контакторы 1, 8, 16 и 18 и контакторы 28, 30, 34 группового переключателя; собирается силовая цепь последовательного соединения двигателей с полностью введенным пусковым реостатом.
Рассматривая схему цепи управления только для 1-й позиции, уже можно убедиться, что ток проходит по сложному пути — через значительное число блок-контактов. Вполне понятно, что блок-контакты включают в цепь только там, где это необходимо.
Рассмотрим для примера назначение блок-контактов контактора 1 в цепи провода 1Е. Не исключена вероятность того, что машинист, поторопившись, может поставить главную рукоятку контроллера, допустим сразу на 2-ю позицию или даже на 3-ю, или же переведет ее с 1-й на последующие позиции, когда еще не замкнулся контактор 1. Тогда часть пусковых резисторов будет выведена из силовой цепи. Если бы и после этого могли включиться индивидуальные контакторы, то через якоря тяговых двигателей, которые еще не вращаются, пошел бы слишком большой ток. Поэтому в цепь провода 26 включен контакторный элемент контроллера, замыкающийся только на 1-й позиции. На остальных позициях цепь провода 26 разорвана и силовая цепь не может быть собрана. Чтобы ее собрать, машинисту обязательно придется возвратить главную рукоятку контроллера на 1-ю позицию.
Перемещение главной рукоятки контроллера на последующие позиции приводит к выключению контакторного элемента 26, но теперь питание катушек вентилей контакторов 1, 18 и других не прекратится, так как замкнется блок-контакт контактора 1 в цепи провода 1Е. На 2-й позиции главной рукоятки контроллера замкнется контакторный элемент в цепи провода 24 и ток пройдет через катушку электро-пневматического вентиля 22. Контактор 22 включится и замкнет часть секций пускового резистора.
Если необходимо перейти на ослабление поля, то машинист на 23-й ходовой позиции поставит рукоятку ослабления поля в положение ОП1. Тогда ток пойдет по проводу 31 в катушки вентилей контакторов ослабления поля 52, 53 и 60, 61. В действительности, в цепи катушек этих вентилей включены также некоторые блок-контакты, которые для упрощения на схеме рис. 90 не показаны.
Перевод рукоятки ослабления поля на позицию ОПП вызывает включение контактов ослабления поля 51, 54 и 59, 62 и т. д. Контакторы ослабления поля, например 52, 53, имеют общий привод.
135
Рис. 92. Схема включения блокировочного вентиля
а и схеме
Перевод рукоятки контроллера на 24-ю позицию вызывает переключение тяговых двигателей с последовательного соединения на последовательно-параллельное в три этапа. Необходимая последовательность переключения обеспечивается соответствующими блокировками.
На последующих позициях с 24-й по 37-ю выводятся пусковые резисторы. На 38-й позиции групповой переключатель занимает положение, соответствующее параллельному соединению двигателей с введенным пусковым резистором. Когда рукоятка переводится с 39-й до 48-й позиции, пусковые резисторы выключаются. Какие контакторы при этом включаются и какие выключаются, можно определить по цепи управления. Если необходимо
снизить скорость, машинист переводит главную рукоятку с 48-й позиции на 38-ю или с 38-й на 23-ю, или ставит ее в нулевое положение.
По мере перевода главной рукоятки с 48-й позиции на 39-ю в цепь двигателей ступенями вводятся пусковые резисторы и соответственно уменьшается скорость. При переходе с 39-й позиции параллельного соединения на 38-ю последовательно-параллельного пусковые резисторы выключаются, а вал группового переключателя занимает положение, соответствующее последовательно-параллельному соединению. Но при этом возник бы значительный толчок тока, так как время срабатывания индивидуальных контакторов меньше, чем группового переключателя. Они сработают быстро и вследствие недостаточной скорости поворота вала группового переключателя выведут из цепи тяговых двигателей резисторы, когда двигатели еще соединены параллельно. Допустить этого нельзя, и здесь опять приходят на помощь блок-контакты, а также специальные блокировочные вентили.
Так, например, к вентилям индивидуальных контакторов 2, 3, 6, 10, 11, 12, 14, 19, 20 и 23, которые выводят пусковые резисторы из силовой цепи при переходе с параллельного на последовательно-параллельное соединение, подают сжатый воздух через блокировочный вентиль 86 (электропневматический клапан 86, рис. 92).
Блокировочный вентиль не возбудится до тех пор, пока групповой переключатель не займет положение, соответствующее последователь-136
ио-параллельному соединению двигателей. И несмотря на то что катушки вентилей индивидуальных контакторов на 38-й позиции получают питание через включенные контакторные элементы контроллера (см. рис. 90), большинство контакторов не включается, так как к их приводам не подается сжатый воздух. Как только в цепях катушек соответствующих блокировочных вентилей, например 86, замкнется блокировка КСП-СП, откроется доступ сжатому воздуху к индивидуальным контакторам 2, 3, 6, 10, И, 12, 14, 19, 20 и 23 (см. рис. 92). Это теперь безопасно, так как переключатель уже находится в соответствующем положении.
В схемах цепи управления, в том числе и изображенной на рис. 90, имеются и другие блок-контакты. Например, блокировки ОД — отклю-чателей двигателей, которые изменяют порядок замыкания индивидуальных контакторов, когда отключена группа тяговых двигателей в случае их неисправности. На электровозах с рекуперацией схема цепи управления несколько сложнее.
4. Схема цепи управления электровоза переменного тока
На электровозах переменного тока так же, как и на электровозах постоянного тока, основным аппаратом, с помощью которого производят необходимые переключения в цепи управления, а следовательно, и в силовой цепи, является контроллер машиниста (рис. 93). Цепи управления питаются постоянным током напряжением 50 В от генераторов управления или от статических выпрямителей.
Контроллер оборудован двумя рукоятками управления — съемной реверсивной и главной. С помощью реверсивной рукоятки контроллера машиниста и соответствующих цепей управления изменяют направление движения локомотива и регулируют частоту вращения тяговых двигателей, включая или выключая ступени ослабления поля. В соответствии с этими функциями реверсивная рукоятка может занимать следующие положения (рис. 94): нулевое 0; полное поле ПП для движения назад; полное поле ПП, три ступени ослабления поля ОП1, ОП2 и ОПЗ для движения вперед. При этом включаются или выключаются контакторы ослабления поля в силовой цепи (см. рис. 67). Так же как и на электровозах постоянного тока, реверсивная и главная рукоятки во избежание ошибочных действий сблокированы.
Управление силовой цепью электровоза переменного тока с помощью главной рукоятки сводится к ручному или автоматическому пуску серводвигателя СМ (см. рис. 94) главного контроллера для набора или сброса позиций, фиксации (остановки) серводвигателя при необходимости на какой-либо позиции, реверсирования его, для
137
Рис. 93. Контроллер машиниста переменного тока
электровоза
—
\~Hci3al вперё! 1 213
тт т ---------1—ir
I +*
1 s в
тмз
цепь управления
I I ° («о---^*606
Сельсин - приемная Сельсин-~У~\^-\
~ дотчик	иНйзатбль
\	\ позиции
\ СМ
+Ш
I fl
В
PC VS АВ 66
ЯГ1ЛГ
2В6
Рис. 94. Упрощенная схема цепи управления тяговыми двигателями электровоза переменного тока
206
I •«
?0!



L
автоматического или ручного сброса позиций и фиксации на позициях сброса. Пуск серводвигателя, его реверсирование, электрическое торможение осуществляются с помощью контакторов 208* и 206, замыкающие и размыкающие контакты которых включены в его цепь. (Напомним, что положение всех контактов на рис. 94 показано при отсутствии тока в аппаратах.) В необходимых случаях с помощью главной рукоятки можно быстро выключить главный выключатель силовой цепи.
В соответствии со сказанным главная рукоятка контроллера машиниста электровоза может занимать восемь позиций (см. рис. 94) : 0 — нулевая, БВ — быстрое выключение главного выключателя, АВ — автоматическое выключение, РВ — ручное выключение, ФВ — фиксация выключения, ФП — фиксация пуска, РП — ручной пуск и АП — автоматический пуск.
Машинист при подготовке электровоза к пуску включает кнопку — Цепь управления и замыкает специальным ключом контакт 213 блокировочного устройства тормозов. Тем самым подается напряжение 50 В на шину контроллера;
* На рис. 94 сохранена нумерация аппаратов, присвоенная заводом-изготовителем.
138
машинист ставит главную рукоятку на позицию 0. Если при этом один из двух главных контроллеров находится не на нулевой позиции, то через ряд блокировок замыкается цепь катушки контактора 208. Тогда включается его замыкающий контакт 208 и выключается размыкающий 208 в цепи серводвигателя. На позиции 0, как видно из развертки кулачковых шайб главного вала контроллера машиниста, катушка контактора 206 обесточена и его размыкающие контакты в цепи серводвигателя СМ включены так, что двигатель вращается в сторону сброса позиций. Как только главный контроллер займет нулевую позицию, специальная блокировка прервет цепь катушки контактора 208, его контакты разорвут цепь питания двигателя СМ и накоротко замкнут обмотку его якоря. Тем самым осуществится электрическое торможение двигателя СМ. (В действительности машинист управляет двумя главными контроллерами.)
Затем машинист переводит главную рукоятку контроллера в положение фиксации пуска ФП, контактор 206 включится и его контакты подготовят цепь якоря серводвигателя СМ к тому, что при включении его цепи контактами контактора 208 он начнет вращаться в сторону набора позиций. Контактор 208 включится при переводе главной рукоятки контроллера из положения ФП в положение РП и серводвигатель повернет вал группового переключателя на одну позицию набора. Как только этот поворот завершится, соответствующие блокировки прервут цепь питания катушки контактора 208 и его размыкающие контакты замкнут накоротко якорь серводвигателя СМ. Для набора следующей позиции машинист должен возвратить главную рукоятку в положение ФП, чтобы вновь подготовить цепь якоря серводвигателя и затем поставить рукоятку в положение РП. Переходя с позиции на позицию, машинист следит за показаниями амперметра, не допуская перегрузки тяговых двигателей.
Машинист может осуществлять и автоматический пуск ва. Для этого он должен поставить главную рукоятку в АП. В этом случае через катушку контактора 208 будет
ток до тех пор, пока машинист удерживает главную рукоятку в положении АП (это положение рукоятки не имеет фиксации).. При этом двигатель СМ будет вращаться в сторону набора позиций. На последней 33-й позиции специальные блокировки прервут цепь катушки 208. При наборе позиций катушка контактора 206 находится под током.
Сброс позиций осуществляется так же, как и пуск, вручную или автоматически. Для ручного сброса машинист ставит рукоятку поочередно в положения РВ и ФВ, для автоматического — в положение АВ. При сбросе позиций катушка контактора 206 обесточена.
Следовательно, при автоматическом пуске или снижении скорости машинист только ставит главную рукоятку контроллера в соответству
локомоти-положение проходить
139
ющее положение, а все необходимые переключения производятся автоматически, без участия человека. В электроподвижном составе автоматический пуск осуществляют двумя способами. Напомним, что при разгоне электровоза с составом до необходимой скорости ток в тяговых двигателях не должен превышать значения, ограничиваемого условиями сцепления или коммутацией двигателей. Поэтому необходимые переключения в процессе автоматического пуска или снижения скорости можно производить в зависимости от изменения тока. Этот способ используют в пригородных электропоездах, где масса состава, а следовательно, и начальное значение тока при пуске изменяются сравнительно мало.
Масса грузовых составов и зависящая от нее величина тока электровоза могут меняться в широких пределах. Здесь осуществить автоматическое управление в зависимости от изменения тока при пуске трудно. Поэтому необходимые переключения при пуске и снижении скорости производят через равные промежутки времени независимо от нагрузки двигателей. Промежутки времени, через которые происходит переход с одной позиции на другую, зависят от частоты вращения серводвигателя и передаточного числа механизмов передачи от серводвигателя до кулачкового вала контакторов переключения ступеней (см. рис. 59). Такой способ автоматического управления называют хронометрическим. Безусловно, и при этом способе автоматического управления ток в двигателях не должен превышать максимально допустимого. Машинист в процессе как автоматического, так и ручного пуска должен следить за показаниями амперметра, включенного в цепь тяговых двигателей. В случае возрастания тока сверх допустимого он ставит главную рукоятку контроллера в положение ФП, тем самым приостанавливая автоматические переключения в силовой цепи путем фиксации главного контроллера на какой-либо ступени регулирования.
Если кулачковый вал контакторов переключения ступеней случайно застрянет между позициями, реле времени, которое имеет выдержку 2—3 с, своими контактами разорвет цепь удерживающего электромагнита главного выключателя и последний отключится.
Машинисту необходимо знать, на какой позиции находится главный контроллер в процессе автоматического или ручного набора, а также сброса позиций. Поэтому в каждой кабине управления установлен указатель позиций (см. рис. 94). Стрелка указателя позиций связана с устройством, носящим название сельсин-приемника. Сельсин-приемник электрически соединен с сельсин-датчиком. Обмотки статора сельсин-датчика и сельсин-приемника питаются однофазным переменным током напряжением ПО В от специального трансформатора напряжения, подключенного к вспомогательной Обмотке силового
140
трансформатора (см. рис. 83). Роторы сельсин-приемника и сельсин-датчика имеют трехфазные обмотки, электрически соединенные друг с другом. Ротор сельсин-датчика механически связан передачей с валом серводвигателя (см. рис. 59; на рис. 94 условно показано непосредственное соединение ротора с валом серводвигателя).
Обмотки статоров сельсинов (см. рис. 83) создают пульсирующие магнитные потоки, которые наводят в трехфазных обмотках роторов равные э. д. с. При повороте вала главного контроллера, а следовательно, и ротора сельсин-датчика равенство э. д. с. нарушается и по соединительным проводам проходит ток. Это заставляет ротор сельсин-приемника повернуться в точности на такой же угол, на какой повернулся сельсин-датчик. Затем равенство э. д. с. восстанавливается. Сельсин-приемник связан с указателем позиций.
В схеме управления силовой цепью, как видно из рис. 94, также имеется большое количество контактов и катушек реле, блок-контак-тов контакторов. Все они выполняют различные защитные и контрольные функции. Например, контролируют включение мотор-вентилято-ров, охлаждающих выпрямительные установки, температуру масла, охлаждающего силовой трансформатор, и т. п. Подробно все эти зависимости описываются для электровозов каждой серии в специальных руководствах и инструкционных книгах.
5. Управление вспомогательными цепями
Токоприемниками, быстродействующими выключателями, главными выключателями, вспомогательными машинами на электровозах управляют вручную с помощью кнопочных выключателей (рис. 95). В отличие от управления тяговыми двигателями, где строгая последовательность тех или иных операций обеспечивается контроллером машиниста,
Рис. 95. Кнопочный выключатель
141
Рис. 96. Схема цепи управления токоприемниками
в управлении вспомогательными цепями заранее заданная последовательность в большинстве цепей не предусматривается. Если это необходимо, в цепь управления включают различные блокировки, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала или не разрешающие привести в действие аппарат при каких-либо определенных условиях. Питание цепей управления осуществляют постоянным током напряжением 50 В от генераторов управления или статических выпрямителей.
Для примера рассмотрим несколько упрощенную цепь управления подъемом токоприемников (рис. 96) восьмиосного электровоза ВЛ80к.
Чтобы поднять один из токоприемников, машинист включает кнопку Токоприемники1. При этом через катушку защитного вентиля ЗВ проходит ток и его клапан открывает доступ сжатому воздуху из главных резервуаров (см. рис. 76). Сжатый воздух проходит к двум цилиндрам пневматических блокировок ПБ1 и ПБ2 и давит на их поршни (см. рис. 96). Поршни могут опуститься вниз только, если закрыты двери в помещениях кузова, где расположено оборудование, находящееся под напряжением, опасным для обслуживающего персонала (высоковольт
1 До введения ГОСТ 12058— 66 «Токоприемники электроподвижного состава магистральных железных дорог» токоприемники электровозов называли пантографами. По этому иа ранее выпущенных электровозах около кнопок написано Пантографы.
142
ную камеру). Затем воздух проходит в цилиндр реле давления РД и под клапан токоприемника КТ. Однако токоприемник не поднимется, так как клапан КТ еще закрыт. Для подъема токоприемника машинист должен включить еще одну кнопку, например, Токоприемник передний. Тогда цепь катушки клапана токоприемника замкнется и клапан КТ откроет доступ сжатому воздуху в пневматический цилиндр привода соответствующего токоприемника. Но это возможно только, если замкнуты контакты реле давления РД.
Необходимость использования реле давления объясняется следующим. Если разорвется пневматическая цепь токоприемников или случайно выключится кнопка Токоприемники, то токоприемник опустится. При этом образуется мощная электрическая дуга, так как работают тяговые двигатели и вспомогательные машины. Такая дуга может пережечь контактный провод и вывести из строя токоприемник. Прежде чем это произойдет, реле давления своими контактами разорвет цепь удерживающего электромагнита главного выключателя, и последний, обладая большим быстродействием, чем привод токоприемника, разорвет силовую цепь электровоза.
Защитный вентиль ЗВ имеет и вторую катушку, соединенную с обмоткой собственных нужд 380 В. Само собой разумеется, что эта катушка получит питание только при поднятом токоприемнике. Если токоприемник не опустится при выключенных кнопках, например, приварится к контактному проводу на стоянке, то обслуживающий персонал может войти в высоковольтную камеру при неснятом напряжении. Однако защитный вентиль в этом случае открывает по-прежнему доступ сжатому воздуху в цилиндры пневматических блокировок, и их штоки не позволят открыть двери высоковольтной камеры.
На рис. 96 показаны также контакты блокировочного устройства БУ. Это устройство позволяет с помощью специальных ключей зашун-тировать контакты реле давления РД, если подъем токоприемника производится при минимально возможном для этого давлении воздуха, создаваемом вспомогательным компрессором. В цепи управления токоприемниками включены еще блокировки разъединителей Р (см. рис. 96) и другие, назначение которых рассматривать не будем.
С цепями управления токоприемниками тесно связаны цепи управления главными или быстродействующими выключателями. Включение и выключение их осуществляют путем манипуляций с кнопками кнопочных выключателей.
С помощью кнопочных выключателей производится пуск различных вспомогательных машин. Это осуществляют обычно после подъема токоприемников и включения главных или быстродействующих выключателей. На электровозах переменного тока сначала включают расщепители фаз. Очередность включения двигателей остальных вспомога-
143
тельных машин не имеет принципиального значения.
Специальный контактор подает напряжение к кнопкам двигателей вспомогательных машин только после пуска и установления необходимой частоты вращения расщепителей фаз.
Включение звуковых сигналов, радиосвязи, прожектора, буферных фонарей, а также освещения измерительных приборов, ходовых частей, кабины, документов машиниста и помощника, электроплитки, обогрева кабины, санузла и т. п. производят кнопками соответствующих кнопочных выключателей.
К вспомогательным цепям управления относятся и цепи сигнализации. Лампы в цепи сигнализации показывают состояние оборудования, они расположены на пульте машиниста. Для примера на рис. 97 показана схема цепей сигнализации электровоза ВЛ80к. Цепи сигнализации подключают к напряжению 50 В кнопкой Сигнализация.
Буква возле условного обозначения каждой сигнальной лампы обозначает цвет глазка на пульте: К — красный, 3 — зеленый, Б — белый. Свечение ламп с красным стеклом сигнализирует следующее: лампа ГВ — отключен главный выключатель; РЗ — сработала земляная защита; ВУ —
сработала защита от коротких замыканий блока дифференциальных реле; ТД — отключился линейным контактором один из тяговых двигателей или сработало реле перегрузки тяговых двигателей; ОВУ — отключились вентиляторы выпрямительных установок; В — отключились вентиляторы охлаждения тяговых двигателей; загорание лампы ФР с зеленым стеклом свидетельствует о пуске расщепителей фаз обеих
секций и т. п.
Включение части сигнальных ламп контролируется специальными блокировками. Так, например, если отключился один из вентиляторов выпрямительных установок, то цепь лампы ОВУ замкнут блокировки контакторов 129 или 130, включающих вентиляторы. В цепях ламп с зеленым стеклом, которые постоянно светятся (ФР — включен рас-
144
щепитель фаз; О, ХП — главный переключатель находится на нулевой или ходовой позиции), имеется регулировочный резистор, с помощью которого машинист устанавливает ту или иную яркость их свечения.
6. Управление электровозами по системе многих единиц
На некоторых участках железных дорог с тяжелым профилем пути или при вождении поездов большого веса мощности одного локомотива недостаточно. Поэтому иногда соединяют вместе несколько электровозов, которыми может управлять один машинист.
Всем, конечно, известно, что, включив обычный комнатный выключатель, можно зажечь одну электрическую лампочку, а можно и несколько, причем лампочки не обязательно должны находиться в одной комнате. Этот принцип используют и на электровозах. Если цепи управления двух локомотивов соединить параллельно в определенном порядке, то управлять несколькими электровозами можно из одной кабины. Такой способ называют управлением по системе многих единиц.
Машинист, включая соответствующие кнопки в одной кабине управления, поднимает токоприемники, включает мотор-вентиляторы, компрессоры, быстродействующие или главные выключатели сразу на двух электровозах. При переводе главной рукоятки контроллера на ту или иную позицию одновременно осуществляются все необходимые переключения в силовых цепях обоих локомотивов (рис. 98).
Для параллельного соединения цепей управления двух локомотивов применяют специальные межэлектровозные соединения, состоящие из розеток и штепселей (рис. 99). Р кузове электровоза, а два штепселя кабелем.
Обычно в электробытовых приборах розетка имеет гнезда, а штепсель — штифты. На электровозе они выполнены иначе: штепсель имеет гнезда, а розетка — штифты. Это сделано не случайно. Розетка установлена неподвижно и закрывается специальной крышкой. Штепсели являются переносными деталями и поэтому возможно повреждение штифтов. Для правильного соединения штепселя и розетки в них сделано специальное направляющее устройство
>зетки неподвижно соединяют друг с
укрепляют на другом гибким
„„ Контроллер
+3UP ;-го электровоза
Контроллер электровоза

Рис управления электровозами многих единиц
98. Схема, поясняющая принцип по системе
10—1773
145
х	На восьмиосных электровозах
ЛДмежэлектровозных соединений не Iffi	устраивают, так как локомотивы
VltrM) №>' Ж	обладают большой мощностью и
U	И4'—'	поэтому работа их по системе мно-
О,	гих единиц не предусмотрена. Но
по существу восьмиосные электро-возы постоянно работают по системе многих единиц, так как они Рис. 99. Межэлектровозное соединение составлены из двух секций. Провода цепей управления обеих секций восьмиосных электровозов также соединяют с помощью различных розеток, штепселей и гибких кабелей.
На части восьмиосных электровозов вместо штепсельных установлены гибкие соединения, выполненные из кабеля. На восьмиосных электровозах на крышах устанавливают перемычки между секциями, которые обеспечивают питание силовых цепей от любого из двух токоприемников.
Дальнейшее увеличение массы и скорости грузовых поездов на железных дорогах Советского Союза уже не может быть обеспечено даже при работе электровозов двойной тягой. Поэтому начинают применять вспомогательные локомотивы, включенные в середину двойного состава. Но ведение объединенного поезда с локомотивом, поставленным в середину состава, существенно отличается от ведения обычного поезда. Оно сложнее прежде всего потому, что с каждого локомотива управляют тормозами одной части состава. Для того чтобы предупредить возникновение больших продольных усилий, необходимо обеспечить синхронное срабатывание тормозов и включение силы тяги.
Для управления такими поездами предложено использовать систему телеуправления и передавать команды с головного локомотива на вспомогательный по радио или контактной сети. Там, где используется тепловозная тяга, телеуправление локомотивами осуществляется по радио. Надежность телеуправления по радио зависит от атмосферных условий, рельефа местности и т. п. Например, связь может нарушаться в больших тоннелях, на перевальных участках, под искусственными металлическими сооружениями и т. п. Поэтому там приходится прокладывать специальные волноводы.
При электрической тяге сигналы телеуправления можно передавать по контактному проводу. Передача команд на вспомогательный локомотив осуществляется с помощью специальной катушки связи (расположена на крыше головного локомотива), индуктивно связанной с контактной сетью. Катушка, принимающая команды, находится на вспомогательном локомотиве.
146
7.	Защита оборудования электровозов от коротких замыканий и перегрузок
В процессе эксплуатации любой электрической установки в ней могут возникнуть короткие замыкания, недопустимые перегрузки, перенапряжения или, наоборот, резко снизиться напряжение. Возможны также перегрев токоведущих частей, аппаратов, машин и другие ненормальные режимы.
С двумя аппаратами защиты от коротких замыканий и перегрузок мы уже познакомились — это быстродействующий выключатель на электровозах постоянного тока и главный выключатель на электровозах переменного тока. В действии этих защитных аппаратов имеется принципиальное различие: быстродействующий выключатель сам непосредственно реагирует на возрастающий сверх допустимых пределов ток; главный выключатель срабатывает только под действием реле максимального тока, обмотка которого питается от трансформатора тока.
Быстродействующий и главный выключатели не могут непосредственно защищать силовую цепь от всех ненормальных режимов. Поэтому для контроля исправности действия электротехнических устройств, сигнализации о нарушении нормального режима их работы, автоматического отключения цепей или всей установки применяют релейную защиту. Основным аппаратом в ней является реле.
По принципу действия реле могут быть электромагнитные, тепловые, электродинамические и др. Благодаря простоте устройства, надежности и применимости как для постоянного, так и переменного тока наибольшее распространение в электрических изделиях, в том числе и на электровозах, получили электромагнитные реле.
Принцип действия электромагнитного реле, защищающего, например, электрический двигатель Д (рис. 100) от перегрузки, заключается в следующем. В случае возрастания тока в двигателе сверх максимально допустимой величины якорь реле, по катушке которого проходит ток защищаемой цепи, притягивается к сердечнику, преодолевая усилие пружины. При этом контакты а и б, замыкаясь, включают цепь сигнальной лампы, которая сигнализирует машинисту о перегрузке одного из тяговых двигателей. Другая пара контактов виг вызывает отключение главного или быстродействующего выключателя, разрывая цепи держащих катушек.
Реле может быть дополнено указателем (блинкером), показывающим, какой именно двигатель был перегружен: после восстановления нормального режима сигнальная лампочка гаснет, а указатель останется опущенным. Возвращают указатель в исходное положение вручную.
10* 147
Ток, при котором срабатывает реле, называют током его уставки. Уставку реле регулируют, изменяя натяжение пружины. Электромагнитное реле при соответствующей уставке может быть использовано как реле максимального напряжения или как реле пониженного тока либо напряжения. В первом случае при повышении напряжения сверх допустимого контакты реле замыкаются, на втором — его контакты размыкаются.
На электровозах ВЛ 10, ВЛ8 контакты реле перегрузки не включены в цепь держащей катушки быстродействующего выключателя. При замыкании они включают цепь сигнала, свидетельствующего о перегрузке какой-либо цепи тяговых двигателей. Если перегрузка произошла в режиме ослабленного поля, то под действием реле выключаются контакторы ослабления поля. Количество реле перегрузки соответствует числу параллельных цепей двигателей (см. рис. 44 и 67, где показаны реле перегрузки РП).
Если короткое замыкание произойдет в конце цепи тяговых двигателей электровозов постоянного тока, соединенных последовательно, то быстродействующий выключатель может не сработать, так как э. д. с. исправных двигателей, включенных в начале цепи, возрастет вследствие увеличения тока и значительно снизит ток короткого замыкания.
Учитывая это обстоятельство, на электровозах ВЛ 10, ВЛ8, ВЛ23 применяют чувствительную дифференциальную защиту, осуществляемую специальным реле Действие реле заключается в следующем. Через окно магнитопровода дифференциального реле проходят кабели начала и конца защищаемого участка силовой цепи двигателей, ток в которых направлен встречно (рис. 101). На одном конце магнитопровода установлена включающая катушка, питающаяся от источника электрической энергии 50 В. Под действием ее магнитного потока притягивается якорь и замыкает контакты, включенные в цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. При нормальном режиме магнитные потоки, создаваемые вокруг кабелей ввода и вывода, взаимно уничтожаются. На рис. 101 условно сечение кабелей, проходящих через окно магнитопровода, показано окружностями; далее кабели изображены в виде соединительных линий электрической связи Направление тока в кабелях из плоскости чертежа к нам, как принято в электротехнике, показано точкой, а от нас в плоскость чертежа — крестиком.
В случае короткого замыкания на землю, например в точке к, ток, проходящий по кабелю ввода, а следовательно, и создаваемый им магнитный поток, резко возрастут. В кабеле вывода, наоборот, ток и магнитный поток уменьшатся до нуля. Магнитный поток кабеля ввода направлен навстречу потоку включающей катушки Вследствие этого 148
Рис. 100. Схема включения элект-
ромагнитного реле
Рис. 101. Схема дифференциальной защиты электровозов постоянного тока
якорь реле под действием пружины оторвется от магнитопровода и разорвет цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя.
Как уже было показано на рис. 30, ток короткого замыкания прерывается быстродействующим выключателем не сразу и после срабатывания дифференциального реле некоторое время продолжает увеличиваться. Поэтому магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, может вновь притянуть якорь реле. Чтобы не допустить этого, в средней части магнитопровода реле установлен магнитный шунт. Воздушные зазоры а этого шунта меньше, чем зазор б между отключенным якорем и торцом магнитопровода. Поэтому после отключения реле магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, будет замыкаться через магнитный шунт.
Дифференциальное реле не может защитить тяговые двигатели от перегрузки, так как неравенства, или, как говорят, небаланса токов в кабелях при этом не будет. Небаланс токов возможен только при коротком замыкании на землю.
На электровозах переменного тока дифференциальная защита тяговых двигателей не нужна, так как они включены всегда параллельно и достаточно защиты с помощью реле перегрузки. Дифференциальная защита используется для защиты от коротких замыканий выпрямительных установок. Для этого катушки блока дифференциальных реле (БРД, см. рис. 67) включают вместе с дросселем между двумя точками цепи вторичных обмоток силового трансформатора, имеющими равные
149
Рис. 102 Схема защиты силовой цепи от замыкания на землю
потенциалы. Не останавливаясь подробно на действии защиты, отметим, что она основана на использовании скорости нарастания тока короткого замыкания в выпрямительной установке. При быстром нарастании тока дроссель в цепи, где он установлен, задержит нарастание тока. Поэтому основная часть тока будет проходить по цепи катушек реле, где нет дросселя. Возникнет разница между магнитным потоком удерживающей катушки и магнитным потоком, который вызван током короткого замыкания. Реле сработает и его контакты разорвут цепь удерживающей катушки главного выключателя.
На электровозах переменного тока необходимо защищать силовые цепи от замыканий на «землю», точнее на корпус (кузов) электровоза. Это объясняется тем, что вторичная обмотка трансформатора, выпрямительные установки и тяговые двигатели не соединены с землей в отличие от электровозов постоянного тока, где замыкание на землю вызывает срабатывание быстродействующего выключателя или дифференциальной защиты. Нарушение изоляции только в какой-либо точке силовой цепи не вызовет аварийного режима, но замыкание в двух точках уже приведет к аварии. Поэтому нужно контролировать состояние изоляции силовой цепи.
Это осуществляют с помощью реле заземления, так называемой земляной защиты. Обмотка реле РЗ (рис. 102) соединена с корпусом локомотива и включена в цепь выпрямленного напряжения селенового выпрямителя СВ.
Выпрямитель питается от вторичной обмотки 380 В силового трансформатора.
В целях использования одного и того же реле для двух групп тяговых двигателей его подключают через два одинаковых резистора Р к точкам силовой цепи, имеющим равные потенциалы. В случае пробоя, допустим в точке а, образуется цепь выпрямленного тока, реле срабатывает и отключает главный выключатель.
Чтобы повысить чувствительность реле, стремятся его контакты сделать более легкими и уменьшить их количество. Это можно осуществить, уменьшив по возможности ток в замыкаемых или размыкаемых цепях, а также количество коммутируемых цепей. С этой целью в цепях постоянного тока применяют дополнительно промежуточные реле. Основное реле, срабатывая, замыкает цепь катушки промежуточного, контакты которого уже переключают то или иное количество цепей.
150
Включающая катушка
Блок-кап такт
Рис. 103. зашиты
Цепи вспомогательных машин защищают с помощью реле перегрузки, которые вызывают отключение контакторов главного или, быстродействующего выключателя, а также плавкими предохранителями и дифференциальной защитой.
Асинхронные двигатели вспомогательных машин электровозов переменного тока оснащены тепловой защитой ТЗ от перегрузки (см. рис. 83). В тепловом реле (рис 103) смонтированы биметаллические элементы, состоящие из двух соединенных друг с другом пластин, на которых установлены размыкающие блок-контакты. Пластины имеют разные коэффициенты линейного расширения. В слу
чае длительной перегрузки или короткого замыкания элементы нагреваются и изгибаются. После достижения определенного прогиба пластин их блок-контакты разрывают цепь включающей катушки и контактор отключается. Когда установится нормальная температура, элементы займут исходное положение. Реле тепловой защиты включают в каждые две фазы, подводимые к двигателю.
0
5ОВ0 Биметаллическая пластина
Схема тепловой
8.	Защита от перенапряжений и радиопомех
Перенапряжения представляют большую опасность для электрического оборудования электровоза, как и любого электрического изделия. Они могут вызвать пробой изоляции.
Различают перенапряжения коммутационные и атмосферные Коммутационные перенапряжения возникают при выключении и включении электрических цепей под нагрузкой. Быстро изменяющиеся магнитные потоки, связанные с изменением токов в переключаемых цепях, наводят иногда опасные по величине напряжения в обмотках аппаратов и машин.
Особенно большие перенапряжения возникают при грозовых разрядах вблизи электрических дорог или при прямых ударах молнии в контактную сеть. После разряда атмосферного электричества в виде молнии в контактной сети образуются быстро перемещающиеся (со скоростью света) вдоль нее волны перенапряжения. Обычная релейная защита при столь быстро протекающих процессах не успевает сработать. Поэтому на электровозах, тяговых подстанциях и контактной сети устанавливают разрядники. Они первыми принимают на себя удар волны перенапряжения и отводят ее в землю.
151
S)
Рис. 104. Разрез разрядника (а) ма (6)
Искровой промежуток
вилитового и его схе-
На электровозах устанавливают вилито-вые разрядники. Принцип действия такого разрядника основан на том, что при повышении напряжения на его зажимах сверх установленного воздушные промежутки, называемые искровыми (рис. 104), пробиваются и контактная сеть кратковременно соединяется с землей. Искровые промежутки включены последовательно с резистором, который ограничивает ток, проходящий из контактной сети в землю. Для быстрого гашения электрической дуги, возникающей в искровых промежутках, резистор должен обладать следующей особенностью: чем больше приложенное к нему напряжение, тем меньше должно быть его сопротивление. Такой резистор называют нелинейным. Волна перенапряжения быстро спадает, сопротивление резистора растет, следовательно, ток уменьшается, и электрическая дуга гаснет.
Материалом для изготовления резисторов с указанным свойством служит вилит. Поэтому разрядники называют вилитовыми. Искровые промежутки шунтированы высокоомными резисторами, обеспечивающими равномерное распределение напряжения между ними. Разрядники электровозов постоянного и переменного тока отличаются количеством искровых промежутков (два и семь последовательно соединенных комплектов соответственно, по четыре промежутка в каждом, т. е. всего 8 и 28, рис. 104, б). Это определяет различное конструктивное выполнение разрядников.
Разрядники защищают от перенапряжений также цепи переменного тока, питающие выпрямительные установки электровозов.
В режиме рекуперации на зажимах тяговых двигателей вследствие, например, отсутствия нагрузки в контактной сети может резко повыситься напряжение. Поэтому на электровозах с рекуперацией устанавливают специальное реле максимального напряжения. В электровозах ВЛ22М оно разрывает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя и тем самым отключает тяговые двигатели от сети при повышении напряжения более 4000 В. На электровозах ВЛ8, ВЛ 10 реле максимального напряжения в этом случае воздействует на контакторы, которые, включаясь, вводят в цепь обмоток возбуждения возбудителей резисторы, тем самым уменьшая возбуждение тяговых двигателей.
152
Рис 105 Схема подавления радиопомех
Радиосвязь и телевидение получили широкое распространение в нашей стране. Но одновременно становится все больше и больше источников индустриальных радиопомех. Помехи, особенно в городах, если их не подавлять, или, в крайнем случае, не снижать, могут иметь настолько высокий уровень, что сильно затруднят или даже совсем исключат возможность пользоваться радиоприемниками и телевизорами.
Индустриальные радиопомехи образует и электрический транспорт, в том числе железнодорожный. Электрифицированные железные дороги могут создавать помехи вследствие недостаточного контакта между токоприемником и контактным проводом, плохо настроенной коммутации электрических двигателей постоянного тока, т. е. искрения щеток, возникновения и гашения дуги в быстродействующих выключателях и контакторах, что вызывает появление токов высокой частоты. Токи высокой частоты генерируют электромагнитные колебания, создавая радиопомехи, особенно в диапазоне длинных и средних волн.
По характеру воздействия на приемники различают гладкие — непрерывные помехи и импульсные.
Прежде всего снижение уровня помех обеспечивают, поддерживая в исправности устройств энергоснабжения железных дорог. Другой путь снижения уровня радиопомех — увеличение сопротивления токам высокой частоты. Для этого после токоприемника локомотива включают фильтр, состоящий из катушки (дросселя) L и конденсатора С (рис. 105). Конденсатор С соединен одной обкладкой с дросселем, а другой с кузовом электровоза и, следовательно, с землей. Токи высокой частоты, значительно сниженные вследствие большого индуктивного сопротивления дросселя, через конденсатор, обладающий малым индуктивным сопротивлением, отводятся в землю.
Индуктивная катушка и конденсатор образуют контур, который настраивают путем соответствующего подбора индуктивного и емкостного сопротивления таким образом, чтобы он отводил в землю гармонические составляющие тех частот, при которых помехи наибольшие.
9.	Защита от боксования
Большое значение для электровозов, особенно постоянного тока, имеет защита от боксования. Боксование возникает при нарушении сцепления между колесной парой и рельсом. Вследствие боксования уменьшается сила тяги, быстрее изнашиваются рельсы, бандажи колес.
153
Рис. 106. Способы уменьшения силы тяги боксующей колесной пары
Если вовремя не прекратить начавшееся боксование, то оно переходит в «разносное», т. е. якорь двигателя начинает вращаться быстрее и быстрее. При этом в цепи нескольких последовательно соединенных тяговых двигателей электровозов постоянного тока напряжение на коллекторе двигателя, связанного с боксующей колесной парой, намного повышается, а на остальных понижается. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения якоря возрастает э. д. с. и соответственно напряжение, приходящееся на боксующий двигатель. Повышение напряжения ухудшает коммутацию, в результате возникает сильное искрение, которое может перейти в круговой огонь.
Как же прекратить боксование? Можно увеличить коэффициент сцепления между колесными парами и рельсами подачей песка. Однако для прекращения боксования в начале его возникновения наиболее целесообразно кратковременно снизить силу тяги боксующей колесной пары.
Вспомним, что вращающий момент двигателя, а значит, и сила тяги, развиваемая им, пропорциональны произведению тока в обмотке якоря на магнитный поток главных полюсов. Поэтому, чтобы снизить силу тяги, нужно уменьшить либо ток, либо магнитный поток двигателя, либо то и другое одновременно. Осуществить это можно, например, шунтируя обмотки якорей тяговых двигателей боксующей и смежной с ней оси резистором (рис. 106, а) путем включения контакторов 1 и 2 или шунтируя обмотки возбуждения этих двигателей индуктивным шунтом.
Такой способ может быть использован только при последовательном соединении двигателей. Если шунтировать обмотки, например, при параллельном соединении двигателей, то сила тяги, наоборот, возрастет. Можно также вводить резистор в цепь тяговых двигателей,
154
связанных с боксующей осью. Однако это возможно только на параллельном соединении.
Существуют и другие способы защиты от боксования. Можно замыкать, например, уравнительные соединения между якорями и обмотками возбуждения (рис. 106, б). В случае боксования одного из двигателей замыкание контакта к вызовет возрастание тока возбуждения этих тяговых двигателей и уменьшение тока в якорях. Довольно эффективна так называемая подпитка (рис. 106, в). При боксовании в одной из параллельных цепей тяговых двигателей замыкаются контакты 1 или 2 контакторов. Обмотки возбуждения тяговых двигателей, связанных с боксующими колесными парами, получают дополнительное питание от генератора управления ГУ. Усиление магнитного потока и повышение э. д. с. двигателей уменьшают ток, и как следствие, силу тяги двигателей.
Для того чтобы обнаружить начало боксования, на электровозах постоянного тока используют электромагнитные реле — датчики боксования. Они реагируют на перераспределение напряжения между тяговыми двигателями в момент возникновения боксования. В качестве датчиков иногда используют также специальные генераторы, связанные с осями электровоза, или датчики, реагирующие на увеличение частоты вращения оси.
Датчик — реле боксования РБ — можно, например, включить по схеме рис. 106, г. При нормальном режиме через катушку реле ток не проходит, так как потенциалы точек а и б равны. В случае возникновения боксования одного из двигателей потенциалы точек а и б становятся неравными и через катушку реле боксования РБ пойдет ток.
Реле боксования, сработав, включает сигнализацию, свидетельствующую о начале боксования, обеспечивает автоматическую подачу песка или срабатывание того или иного автоматического устройства, предназначенного для прекращения боксования, например включение контакта к (см. рис. 106, б), контактов / или 2 (см. рис. 106, в).
Так, на электровозах ВЛ8, ВЛ80к реле боксования предназначено для сигнализации и автоматической подачи песка. Если боксование при подаче песка не прекращается, машинист переходит на низшие ступени регулирования. Прекращение боксования таким способом сопровождается понижением скорости движения.
Контактные электромагнитные реле (см. рис. 100) не обеспечивают достаточной чувствительности и быстродействия. Поэтому сейчас начинают внедрять бесконтактные системы защиты от боксования с использованием полупроводниковых приборов, реагирующих на скорость изменения э. д. с. двигателей.
При работе электровоза в тяговом и тормозном режимах происходит перераспределение вертикальных нагрузок от колесных пар на рель-155
Направление движения
Рис. 107. Схема расположения протнворазгрузочных устройств
сы. Это вызывается моментом от сил тяги и сопротивления движению состава, приложенных к электровозу на разной высоте (рис. 107). Сила тяги каждой колесной пары FK — внешняя сила — приложена к подшипникам; к кузову приложена сила сопротивления движению состава W=8 FK. Эти силы создают момент М = 8 FKh, который направлен по часовой стрелке и стремится приподнять переднюю часть электровоза. Вертикальные нагрузки на передние тележки каждой секции, считая по направлению движения, уменьшаются, а на задние увеличиваются, что может вызвать боксование передних колесных пар. Для сохранения равных нагрузок на каждую тележку и колесную пару в восьмиосных электровозах ВЛ80к и ВЛ 10 установлены противо-разгрузочные (догружающие) пневматические устройства (см. рис. 107) \
Когда электровоз начинает работать, сжатый воздух подводится к передним по ходу электровоза цилиндрам каждой тележки, и поршень через ролик давит на раму тележки, догружая ее.
Давление сжатого воздуха изменяется в зависимости от силы тяги с помощью регулятора Р (см. рис. 76), который имеет электромагнит и редуктор давления. Катушка электромагнита включена в цепь одного из тяговых двигателей. В зависимости от силы тяги, а следовательно, и тока регулятор автоматически изменяет давление воздуха, поступающего в противоразгрузочные цилиндры. В зависимости от направления движения открываются клапаны К1 или К2 (см. рис. 76 и 107), катушки которых включены в цепь управления тяговыми двигателями.
1 Расположение цилиндров догружающих устройств в кузове электровоза на рис. 107 показано для наглядности условно. В действительности цилиндры установлены на тележках горизонтально и передают давление на тележки через угловые рычаги 156
10.	Коротко о других защитах
Кроме описанных основных защит, на электровозах имеются и другие устройства, защищающие его оборудование от ненормальных режимов.
Так, на электровозах серии ВЛ10 устанавливается малогабаритный быстродействующий выключатель БВЭ-ЦНИИ, обеспечивающий, совместно с дифференциальными реле, защиту вспомогательных цепей (см. рис. 82).
На электровозах ВЛ8 и ВЛ23 ту же защиту осуществляют с помощью дифференциальных реле и специального контактора вспомогательных цепей (КВЦ). Но быстродействие такой защиты ниже, чем у предыдущей, и ток короткого замыкания может достичь опасной величины. На электровозах устанавливают реле рекуперации для автоматического подключения тяговых двигателей к контактной сети при переходе на режим рекуперативного торможения. Реле реагирует на разность напряжений в контактной сети и тяговых двигателей. Когда эта разность составляет 80—100 В, реле обеспечивает включение линейных контакторов, соединяющих электрически контактную сеть и тяговые двигатели.
Довольно широко, особенно в низковольтных цепях управления, используются для защиты от токов короткого замыкания плавкие предохранители. На электровозах используют трубчатые предохранители с наполнителями, способствующими гашению дуги.
На электровозах применяют также реле частоты вращения («реле оборотов»), где используется центробежная сила. С помощью их подключают к расщепителям фаз асинхронные двигатели вспомогательных машин после достижения частоты вращения ротора расщепителя 1430 об/мин.
На электровозах переменного тока осуществляется защита главного контроллера от замедленного вращения кулачкового вала контакторов переключения ступеней с помощью реле времени, о чем упоминалось на стр. 140. Принцип устройства реле времени такой же, как и реле, описанного на стр. 147 (рис. 100).
Катушка реле получает питание на всех фиксированных позициях кулачкового вала переключения ступеней главного контроллера. Во время вращения кулачкового вала от одной позиции к другой питание катушки реле прерывается специальными блок-контактами. Но якорь реле при этом отрывается от сердечника не сразу, а с выдержкой времени. Это обеспечивается наличием на сердечнике медного кольца. После снятия напряжения с катушки реле медное кольцо поддерживает (в течение нескольких секунд) магнитный поток катушки и якорь удерживается притянутым.
157
VIII
МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
1.	Осевые формулы электровозов
Электровозы разных серий по устройству механической части отличаются прежде всего количеством колесных пар (числом осей). Отечественная локомотивостроительная промышленность выпускала до недавнего времени магистральные электровозы, имеющие шесть и восемь осей. В настоящее время на магистральный железнодорожный транспорт поступают только мощные восьмиосные электровозы переменного (ВЛ80т), постоянного (ВЛ 10) и постоянно-переменного тока (ВЛ82). Для пассажирского движения в Советский Союз по импорту поставляются шестиосные электровозы ЧС2. постоянного тока и ЧС4 переменного тока. Находятся в эксплуатации также четырехосные пассажирские электровозы серий ЧС1 и ЧСЗ, построенные в Чехословакии.
Число колесных пар электровоза определяется силой тяги, которую он должен развивать. Применение мощных двигателей, как известно, еще не гарантирует получения большой силы тяги. Чтобы создать значительную силу тяги, необходимо обеспечить достаточное сцепление колес с рельсами.
Каковы же основные пути увеличения силы сцепления? Сила сцепления зависит от нагрузки, приходящейся на колесо. Но с увеличением нагрузки на колесо повышается нагрузка на рельсы, шпалы, грунт. Для того чтобы путь выдерживал большие усилия, приходится увеличивать сечение рельсов, а следовательно, и их вес, чаще располагать шпалы, что связано с большими капитальными затратами.
На железных дорогах СССР допускаются нагрузки от колеса локомотива на рельсы до 10—12 тс (100—120 кН). Обычно нагрузку, приходящуюся на рельсы, указывают для двух колес, т. е. нагрузку на колесную пару, или так называемую нагрузку от оси на рельсы. У отечественных электровозов разных серий она составляет от 19 до 23 тс (190—230 кН). Для электровозов некоторых типов нагрузка от оси на рельсы вошла составной частью в обозначение их серии: например, ВЛ 19, ВЛ22, ВЛ22м и ВЛ23. Здесь цифры 19, 22, 23 показывают нагрузку на рельсы от оси в тонна-силах. Нагрузка от оси на рельсы
158
электровозов ВЛ80к, ВЛ80т составляет 23 тс (230 кН), a j ВЛ8 —22,5 тс (225 кН). Недавно принято решение спроектировать и испытать грузовые восьмиосные электровозы с нагрузкой от оси на рельсы 27—30 тс (270—300 кН).
Можно также повышать
Рис. 108. Расположение колесных пар в кривой при жестком закреплении их в раме (а) и поперечном разбеге (б)
силы сцепления локомотива с рельсами, увеличивая число движущих колесных пар. Но и здесь существуют определенные ограничения, налагаемые рельсовой колеей. Рельсовая колея, если посмотреть на нее сверху, или, как говорят, «в плане», состоит из прямолинейных отрезков, соединенных плавными кривыми. Для того чтобы колесные пары локомотива могли свободно перемещаться в колее, расположенной на кривом участке пути наименьшего допустимого радиуса — «вписываться в кривую», — число их должно быть ограничено. Например, при некотором радиусе криволинейного участка пути четыре колесные пары не вписываются в кривую (рис. 108, а). Здесь колесные пары 2 и 3 не могут коснуться наружного рельса, кроме того, гребни их бандажей набегают на внутренний рельс.
При входе в криволинейный участок пути электровоз стремится сохранить прямолинейное движение, и гребни бандажей его колес начинают отжимать в сторону наружный рельс. Рельс с такой же силой действует на гребни бандажей, но в противоположном направлении, принуждая колеса, а вместе с ними и весь электровоз следовать по кривой, очерченной рельсами. Боковое давление, создаваемое колесной парой электровоза, вписывающегося в кривую, может оказаться столь большим, что произойдет излом рельсов или нарушится их скрепление со шпалами. Величина этого давления зависит от скорости движения электровоза, радиуса кривой, нагрузки от колес на рельсы.
Боковое давление колесных пар на рельсы необходимо по возможности более равномерно распределить на все колеса электровоза. Равномерность распределения давления зависит от числа колесных пар, соединенных в одной раме тележки локомотива, способа их закрепления в ней и радиуса кривой. Если, например, обеспечить возможность осям 2 и 3 перемещаться в поперечном направлении относительно рамы (это перемещение называют поперечным разбегом колесной пары), то в кривой все четыре колеса будут касаться наружного рельса (рис. 108, б). Чем больше число колесных пар, соединенных в одной раме, тем труднее добиться соприкосновения всех колес с наружным рельсом в кривых участках пути. При наименьшем радиусе кривых 159
Рис. 109. Схема расположения в кривых сочлененных трехосных (а) и несочлененных двухосных (б) тележек
пути, принятом в СССР, в одной раме удается разместить не более четырех движущих колесных пар.
Увеличение мощности локомотива, а значит и сцепного веса при сохранении принятой нагрузки от оси на рельсы было достигнуто путем использования нескольких тележек в одном электровозе или тепловозе. При этом тележки могут быть сочленены (шарнирно связаны) и несочленены. Шестиосные электровозы серий ВЛ19, ВЛ22М и ВЛ23 имеют две сочлененные трехосные тележки (рис. 109, а); электровоз серии ВЛ8 имеет четыре сочлененные тележки. На электровозах с сочлененными тележками одна из них может поворачиваться относительно другой в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Сила тяги, развиваемая электровозами с сочлененными тележками, передается составу через их рамы. Поэтому тележки получаются тяжелыми и при больших скоростях движения оказывают сильное воздействие на путь. Чтобы избежать этого, в настоящее время применяют свободные — несочлененные тележки (рис. 109, б) на электровозах ВЛ60, ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ82, ЧС4, ВЛ 10, ЧС2, ЧС1, ЧСЗ. При несочлененных тележках сила тяги передается через раму кузова. Благодаря этому сами тележки получаются более легкими и оказывают меньшее воздействие на путь.
На некоторых пассажирских электровозах в первый период элект-тровозостроения, как и у паровозов, устанавливали дополнительно так называемые бегунковые колесные пары, не связанные с тяговыми двигателями. Их монтировали в специальных одноосных или двухосных бегунковых тележках.
Можно назвать две причины применения бегунковых колесных пар на электровозах. Во-первых, на заре электровозостроения тяговые двигатели и электрические аппараты были громоздкими, тяжелыми. В результате общий вес электровоза получался настолько большим, чго передать его только на движущие оси, не превышая максимально допускаемой нагрузки, было нельзя. Вот этот избыточный вес и передавали на бегунковые оси. Во-вторых, основываясь на опыте 160
эксплуатации паровозов, считали обязательным на электровозах, рассчитанных на большие скорости движения, по концам устанавливать бегунковые колеса.
С развитием электровозостроения в дальнейшем первая причина отпала сама собой. Опыт работы электровозов убедил в том, что при движении их с большими скоростями бегунковые колеса не обязательны.
Количество движущих и бегунковых колесных пар в локомотиве, их взаимное расположение в тележках выражают в виде осевых формул. Осевые формулы представляют собой сочетание цифр и условных знаков. Первая цифра осевой формулы показывает количество бегунковых осей с одной стороны электровоза. Далее ставится дефис (-) и после нее цифра, обозначающая число движущих колесных пар, находящихся в одной тележке. Если тележек несколько, то после каждой цифры, соответствующей числу осей тележки, ставится знак плюс (+), когда тележки имеют шарнирное сочленение, или минус (—), если тележки не сочленены. Последняя цифра показывает количество бегунковых осей с другой стороны электровоза.
Например, осевая формула отечественных шестиосных электровозов с сочлененными тележками О-Зо+Зо-О, а с несочлененными — О-Зо — Зо-О. Осевая формула восьмиосного электровоза с сочлененными тележками О-2о + 20 + 2о + 2о-О, а с несочлененными — О-2о—2о—2о— 2о-О. Индекс 0 у цифр, обозначающих число движущих колесных пар, показывает, что каждая из них приводится в движение своим тяговым двигателем (индивидуальный привод). Если знак 0 отсутствует, это свидетельствует о групповом приводе колесных пар, т. е. имеется один тяговый двигатель, приводящий в движение несколько колесных пар, соединенных спарниками.
Заграницей в осевых формулах применяют буквенные обозначения. Буква А соответствует одной движущей колесной паре, В — двум, С — трем, D — четырем и т. д. Например, шестиосный электровоз с двумя сочлененными тележками имел бы следующую осевую формулу О-Со+Со-О, восьмиосный с несочлененными — О-Во—Во—Во—Во-О.
Опыт эксплуатации показал, что локомотивы, имеющие тележки, а также и четырехосные вагоны, у которых колесные пары размещены в двух тележках, склонны к виляющему движению в прямых участках пути при существующей (с 1860 г.) ширине колеи 1524 мм. Виляющее движение вызывает более быстрый износ рельсов и расстройство пути. Новые виды тяги — электровозы и тепловозы — позволили повысить скорость движения поездов, что еще больше способствовало возникновению виляний. Многочисленные опыты убедили, что для устранения влияний необходимо несколько уменьшить ширину колеи, не изменяя предельные размеры колесных пар. Поэтому новыми 11—1773	161
Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР (ПТЭ) установлена ширина колеи 1520 мм. Это позволяет повысить плавность и безопасность движения, уменьшить износ подвижного состава и рельсов.
2.	Рамы тележек
Рама тележки с помощью рессорного подвешивания опирается на колесные пары. В свою очередь на эти рамы устанавливают кузов электровоза. К рамам тележек крепят тяговые двигатели, тормозное оборудование. Следовательно, на рамы тележек локомотивов действуют вертикальные нагрузки от веса кузова и оборудования, в том числе и тяговых двигателей, горизонтальные силы тяги или торможения. Кроме того, рамы воспринимают боковые усилия при проходе криволинейных участков пути.
Выше уже было отмечено, что тележки.могут быть сочлененными и несочлененными. Сочлененные тележки имеют межтележечные сочленения, а крайние тележки автосцепные устройства. Если тележки несочлененные, то автосцепные устройства устанавливают на рамах кузовов.
Тележки сочлененных электровозов должны быть соединены так, чтобы они могли поворачиваться одна относительно другой в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Кроме того, сочленение должно позволять передавать силу тяги от одной тележки к другой.
Рассмотрим сочленение тележек шестиосного электровоза (рис. ПО). Брус сочленения одной тележки имеет выступ с отверстием — серьгу. На другой тележке электровоза на брусе сочленения
Рис. НО. Сочленение тележек электровоза
162
Рис. 111. Рама сочлененной тележки шестиосного электровоза.
сделаны два выступа — вилка. В серьгу вставлено гнездо, состоящее из верхнего и нижнего вкладышей. В этом гнезде помещается шар. Через шар и вилку проходит шкворень, который снизу поддерживается специальной плитой. Шкворень позволяет тележкам поворачиваться одна относительно другой в горизонтальной плоскости, а сочетание гнезда и шара — в вертикальной. Угол поворота тележек в вертикальной плоскости ограничивается величиной зазора между серьгой и вкладышами.
При достижении предельного угла поворота вертикальное усилие, действующее на одну из тележек, передается сочленение^м на другую тележку.
Так же соединяют тележки восьмиосных электровозов ВЛ8. Но
технология изготовления рам шестиосных и восьмиосных сочлененных электровозов различна. Рама шестиосного электровоза, показанная на рис. 111, собирается из двух боковых листов и поперечных литых
креплений. Боковые листы и поперечные крепления соединяют точно обработанными коническими (при-зонными) болтами или с помощью сварки. Рамы тележек восьмиосного электровоза ВЛ8 отлиты как одно целое.
Рамы несочлененных тележек проще по устройству, их собирают из отдельных деталей с помощью сварки. Так, например, рама шестиосного несочлененного электро
Рис. 112. Рама несочлененной тележки шестиосного электровоза
11* 163
воза ВЛ60к (рис. 112) собрана из двух боковин коробчатого сечения, сваренных из листовой стали, двух шкворневых брусьев, отлитых из стали, концевых брусьев литых или выполненных из отрезков труб. К раме приварены кронштейны для крепления тормозных устройств и боковых опор кузова. На два литых шкворневых бруса каждой рамы устанавливают опоры кузова.
С помощью сварки изготовлены и тележки восьмиосных несочлененных электровозов, но они вместо двух шкворневых брусьев имеют только один.
3.	Кузова электровозов и их опоры
Основная аппаратура, вспомогательные машины и кабины управления размещены в кузове электровоза. На электровозах обычно устраивают две кабины управления, что позволяет обойтись без специальных поворотных устройств и создать условия для лучшей видимости впередилежащего пути и сигналов.
В процессе совершенствования электровозов изменялась и форма их кузова. На локомотивах первых выпусков кузов имел прямоугольную форму с двумя площадками по концам (см. рис. 5). В дальнейшем кузову стали придавать более обтекаемую форму.
Кузова электровозов ВЛ80к (см. рис. 6), ВЛ60, ВЛ23, ВЛ8, ВЛ 10, ЧС не имеют острых углов, нет здесь и площадок. В результате уменьшено сопротивление воздушной среды, стали более просторными кабины машиниста, локомотив приобрел приятный внешний вид.
Основанием кузова служит нижняя рама, которая воспринимает вес всей аппаратуры и вспомогательных машин. У электровозов с сочлененными тележками рамы кузовов собирают из швеллерных балок, угловой и листовой стали с помощью сварки или заклепок. У электровозов с несочлененными тележками рамы кузовов делают более мощными, так как через них передается сила тяги. На концевых брусьях таких рам устанавливают автосцепки; кузова двух секций соединяют автосцепкой.
Боковые стенки и крыша кузова представляют собой металлический каркас, обшитый стальными листами. Чтобы внутрь кузова поступал воздух, необходимый для охлаждения тяговых двигателей и аппаратов, в наружных стенках электровоза сделаны жалюзи.
Кузова электровозов опираются на тележки специальными опорами. Опоры не должны препятствовать повороту тележек относительно друг друга в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Чтобы обеспечить это, к раме кузова электровоза с сочлененными тележками крепят опорные пяты. Этими пятами кузов опирается на специальные про-
164
Рис 113 Подпятники
дольные шкворневые балки рам тележек, например на электровозах ВЛ22 (см. рис. 111), или на средние поперечные брусья, например на электровозах ВЛ8, ВЛ23. В одной из продольных шкворневых балок сделано прямоугольное гнездо, в другой — круглое. Подобные гнезда устраивают в восьмиосных сочлененных электровозах: поперечный брус одной тележки секции имеет также прямоугольное гнездо, а брус второй тележки круглое. То же сделано соответственно и в поперечных брусьях рам тележек второй секции. В эти гнезда вставляют подпятники. Подпятник, закладываемый в прямоугольное гнездо (рис. 113, а), имеет прямоугольную форму, но по длине он короче гнезда Другой подпятник — цилиндрический — устанавливают в круглое гнездо (рис. 113, б). В подпятники вставляют пяты кузова. Такая конструкция выбрана из следующих соображений.
Допустим, что тележки электровоза находятся на прямолинейном участке пути. При этом между прямоугольным гнездом и вставленным в него подпятником имеется зазор а (рис. 114, а); для наглядности на рисунке зазор сильно увеличен. В криволинейном участке пути тележки повернутся, как показано на рис. 114, б. Круглые опорные пяты не будут препятствовать повороту. Но размер е между двумя любыми точками, расположенными на разных тележках, например гид, в этом случае уменьшится и станет равным е'. Расстояние же между центрами опорных пят в не может измениться, так как опорные пяты
165
закреплены неподвижно на раме кузова. Благодаря зазору между прямоугольным гнездом и прямоугольным подпятником последний переместится влево (см. рис. 113, б) и займет некоторое промежуточное положение в зависимости от радиуса кривой. Зазор а уменьшится и станет равным а'. Между подпятником и гнездом с противоположной стороны установится зазор, равный б.
По-иному осуществлено соединение кузова с тележками на электровозах с несочлененными тележками. Например, на шестиосном электровозе ВЛ60 кузов опирается на каждую тележку двумя центральными и двумя боковыми опорами (рис. 115, а). Каждая центральная опора представляет собой стойку с коническими углублениями вверху и внизу (рис. 115, б). Между стойкой и гнездами, сделанными в рамах кузова и тележки расположены резиновые прокладки — конусы. Через центральные опоры от тележек к раме кузова передается сила тяги. Резиновые прокладки, сжимаясь, позволяют перемещаться тележкам относительно кузова в продольном и поперечном направлениях.
Каждая центральная опора снабжена возвращающим устройством, которое возвращает кузов в исходное положение при поперечных его отклонениях. Оно состоит из пружин, помещенных в цилиндры, шарнирно связанные с центральной опорой и рамой кузова. Для большей устойчивости кузова пружины предварительно сжимают.
Рис. 114. Взаимное расположение тележек и подпятников электровоза на прямом участке пути (а) и в кривой (б)
166
Устойчивость кузова электровоза относительно тележек в поперечном направлении дополнительно обеспечивается боковыми опорами (рис. 115, в).
Боковая опора представляет собой стержень, который верхним концом действует на пружину через упор, размещенный в стакане, приваренном к продольной балке рамы кузова. Нижний конец стержня опирается на вкладыш, расположенный в кронштейне, приваренном к раме тележки.
Следовательно, вес кузова шестиосного электровоза передается на две тележки через четыре центральные опоры и четыре боковые опоры.
Кузов восьмиосного электровоза ВЛ80к с несочлененными тележками опирается на каждую тележку двумя упругими боковыми опорами, расположенными по ее поперечной оси (на рис. 116, а опоры показаны в очень упрощенном виде). Эти опоры передают от кузова на тележку только вертикальные нагрузки.
Поперечные и продольные усилия от каждой тележки кузов воспринимает шкворнем, закрепленным на раме кузова. Шкворень кузова соединен со шкворневой балкой так (рис. 116, б), что не может воспринимать вертикальные нагрузки. Шкворень, а тем самым и кузов связаны со шкворневой балкой противоотносным устройством. Это устройство обеспечивает упругую подвижность кузова в поперечном направлении относительно тележек, воспринимает поперечные усилия, возникающие
167
Рис. 116. Схема рессорного подвешивания электровоза ВЛ80к
между кузовом и тележками. Под действием этих усилий противоотнос-ное устройство возвращает шкворень в среднее положение.
На две секции электровоза ВЛ80к приходится четыре шкворня и восемь боковых опор.
4-	Рессорное подвешивание
На каждую колесную пару при неподвижном электровозе действует так называемая статическая нагрузка. Эту нагрузку создает вес кузова, рам тележек, тяговых двигателей (или часть их веса), оборудования, расположенного в кузове, и т. д. Нагрузка на колесные пары передается через рессоры. Поэтому все устройства, создающие эту нагрузку, объединяют общим названием — надрессорное строение.
Во время движения электровоза вследствие неровностей пути от колесных пар на рамы тележек и кузов передаются дополнительные динамические нагрузки, вызывающие колебания надрессорного строения. Рессоры уменьшают воздействие динамических сил, смягчают удары.
После прекращения действия динамических сил надрессорное строение продолжает совершать колебания на рессорах. Чтобы быстрее погасить эти колебания, на локомотивах устанавливают листовые рессоры: между отдельными их листами возникает трение, способствующее затуханию колебаний.
Рессоры собирают из 12—14 листов. Верхние, наиболее длинные листы называют коренными. При изготовлении листы несколько изгибают вверх, под нагрузкой они распрямляются.
168
Важнейшей характеристикой рессоры является ее гибкость. Под гибкостью рессоры обычно понимают величину ее прогиба в миллиметрах под действием силы в 10 кН. Чтобы увеличить гибкость рессорного подвешивания, иногда листовые рессоры соединяют последовательно с витыми, изготовленными в виде спирали. Цилиндрические рессоры — пружины — хорошо сглаживают слабые толчки, на которые сравнительно жесткие листовые рессоры не реагируют.
Рессоры электровозов некоторых серий соединяют продольными, а иногда и поперечными балансирами (рис. 117). Балансиры помогают поддерживать постоянным заранее заданное распределение нагрузок между колесными парами независимо от состояния рессорного подвешивания. Если бы рессоры не были связаны балансирами, то при изменении прогиба листовых рессор или сжатия пружин во время прохождения колес по неровностям пути изменялись бы нагрузки, приходящиеся на колеса. Если это вызовет разгрузку колесной пары, то тогда уменьшится сила сцепления ее с рельсом, и она может начать боксо-вать. Применение балансиров позволяет избежать разгрузки отдельных колесных пар. Такая система рессорного подвешивания довольносложна и требует тщательного ухода.
Листовые рессоры могут быть размещены под буксами (рис. 118). Здесь нет поперечных балансиров. Такое расположение листовых рессор называют нижней системой рессорного подвешивания в отличие от верхней, показанной на рис. 117.
Отличия рессорного подвешивания восьмиосных электровозов, например ВЛ80к, от шестиосных ВЛ60к определяются главным образом тем, что восьмиосные электровозы имеют двухосные тележки.
Рис. 117. Рессорное подвешивание электровоза ВЛ22М
169
Рис. 118. Рессорное подвешивание электровоза ВЛ60
Рессорное подвешивание электровозов ВЛ80к и ВЛ 10 несбалансированное, т. е. каждая ось имеет самостоятельное подвешивание (нет продольного балансира), и оно двухступенчатое, так как вес кузова на рамы тележек передается через пружинные боковые опоры (см. рис. 116). Гашение вертикальных колебаний в первой ступени происходит в листовых рессорах за счет сил трения между листами. Для гашения вертикальных колебаний кузова относительно тележки применяют гидравлические амортизаторы, так как пружины боковых опор не могут быстро погасить эти колебания.
Амортизаторы крепят одним концом к кронштейну рамы тележки, другим к кронштейну рамы кузова. Гашение колебаний в них происходит вследствие возвратно-поступательного перемещения вязкой жидкости (приборное масло) поршнем амортизатора через клапаны, где возникает вязкостное трение в жидкости.
Нагрузки на колесные пары в электровозах ВЛ80к, ВЛ 10 выравнивают, регулируя сжатие пружин боковых опор.
5.	Колесные пары, буксы и подшипники
Колесная пара состоит из оси, двух колес и одного или двух зубчатых колес.
На ось колесной пары напрессовывают с помощью гидравлического пресса колесные центры. Колесные центры мощных электровозов ВЛ60, ВЛ80, ВЛ8 изготовляют в виде дисков с отверстиями (рис. 119). У электровозов ранних выпусков обод колесного центра соединен со ступицей несколькими спицами.
На колесные центры в горячем состоянии надевают бандажи, поверхность катания которых потом обрабатывают, придавая ей коническую форму — конический профиль. С внутренней стороны бандажи имеют выступающий гребень, препятствующий сходу локомотива с рельсов.
Коническая форма бандажей необходима прежде всего для спокойного прохождения электровоза по участкам с криволинейным очер-170
танием пути. В кривых длина наружного рельса больше, чем внутреннего, и колеса, посаженные на одну ось, должны пройти разные пути. При глухой посадке оба колеса вращаются с одной и той же частотой, и если их диаметры равны, то колесо, катящееся по наружному рельсу, вынуждено проскальзывать, что вызовет быстрый износ бандажа. Однако во время движения по
Рис. 119. Колесная пара с дисковым центром
кривой локомотив вместе с колесными парами под действием центробежной силы сме-
щается в сторону внешнего рельса. При этом внешнее колесо катится по большему кругу катания, а внутреннее — по меньшему. В резуль-
тате колеса проходят без проскальзывания разные пути при одной и той же частоте вращения.
В процессе эксплуатации электровоза вследствие износа профиль бандажей меняется. Поэтому после определенного пробега локомотива профиль бандажей восстанавливают путем повторных обточек. Когда износ бандажей достигнет предельного, бандажи спрессовывают с ко
лесных центров и заменяют новыми.
Зубчатые колеса напрессовывают в горячем или холодном состоянии на удлиненные ступицы колесных центров или непосредствен
но на ось.
Ось колесной пары закапчивается шейками, на которые через буксы и подшипники передается вес рамы тележки и кузова электровоза. На электровозах серий ВЛ 19, ВЛ22 и большей части ВЛ22М в буксах установлены подшипники трения скольжения. В таких подшипниках теряется много энергии на преодоление трения, что значительно увеличивает сопротивление движению в момент трогания поезда с места, особенно в зимнее время, когда смазка густеет. На изготовление скользящих подшипников расходуется большое количество дефицитных цветных металлов.
С 1958 г. на электровозах устанавливают только буксы с подшипниками качения (см. рис. 119). Между внутренним кольцом подшипника, насаженным на шейку оси, и внешним кольцом, которое находится в корпусе буксы, расположены ролики. Ролики удерживаются на одинаковом расстоянии друг от друга с помощью специального устройства — сепаратора.
171
6.	Тяговые передачи и подвешивание тяговых двигателей
Создать надежную и простую передачу вращающего момента от вала двигателя к оси колесной пары непросто. Основная трудность заключается в том, что передаточный механизм должен связать колесную пару с тяговым двигателем, закрепленным полностью или частично на надрессорном строении, которое при движении электровоза совершает колебания относительно колесных пар.
Впервые такая передача была разработана для трамваев, вследствие чего и получила название трамвайной подвески, или, как ее еще называют, опорно-осевой. Принцип такой передачи использован и на отечественных электровозах.
При опорно-осевом подвешивании (рис. 120) двигатель опирается на ось колесной пары моторно-осевыми подшипниками, основание которых отлито как одно целое с остовом. Подшипники снаружи закрывают шапками (см. рис. 23). С противоположной стороны остова двигателя имеются выступы (носики), которыми двигатель опирается на подвижные балочки, размещаемые между выступами поперечных креплений рам тележек. Между балочками находятся предварительно сжатые пружины. Если остов двигателя опускается, то его выступ перемещает верхнюю балочку вниз по направляющим, и пружины, сжимаясь, стремятся вернуть двигатель в первоначальное положение. При перемещении двигателя вверх поднимается нижняя балочка и снова пружины стремятся возвратить двигатель в исходное положение.
Опорно-осевое подвешивание обеспечивает неизменность расстояния между центрами вала двигателя и оси колесной пары. Это расстояние называют централью. При передаче вращения от вала двигателя к колесной паре с помощью зубчатого редуктора благодаря неизменности централи создаются условия, необходимые для правильного
Рис. 120. Опорно-осевое подвешивание тягового двигателя 172
Рис. 121. Упругая зубчатая передача (а) и косозубая передача (б)
зацепления зубчатых колес. Передача работает плавно, в результате повышается долговечность зубчатых колес.
Применение зубчатой передачи позволяет использовать быстроходные тяговые двигатели. Редуктор состоит из малого зубчатого колеса, укрепленного на валу тягового двигателя, и большого зубчатого колеса, насаженного на ось колесной пары. Отношение чисел зубьев большого и малого колес называют передаточным числом. Применяя разные передаточные числа зубчатых колес, получают электровозы, рассчитанные на различные скорости движения. На пассажирских электровозах, которые должны обеспечивать высокую скорость движения поездов, устанавливают редукторы с меньшим передаточным числом. На грузовых электровозах, которые должны развивать значительную силу тяги, применяют редукторы с большим передаточным числом.
При опорно-осевом подвешивании перемещение надрессорного строения относительно колесных пар неопасно, так как малое колесо зубчатой передачи может перекатываться вверх или вниз по большому колесу, не нарушая зацепления.
На электровозах чаще применяют не одностороннюю, а двустороннюю передачу, т. е. ставят редукторы с обеих сторон вала тягового двигателя. Это облегчает условия работы зубчатых колес, передающих большие усилия.
Однако при неправильной сборке одна пара шестерен может нагружаться больше, а другая меньше, что вызовет усиленный износ зубьев и моторно-осевых подшипников. Для устранения этого недостатка на электровозах ВЛ 19, ВЛ22, ВЛ22М и первых электровозах ВЛ8 применяли упругую зубчатую передачу. В такой передаче зубчатый венец большой шестерни соединяют с ее центром пакетами пружин (рис. 121, а). В результате венец может упруго смещаться отно
173
сительно центра, а значит смягчаются удары, воспринимаемые передачей.
Упругая зубчатая передача довольно сложна, ее трудно ремонтировать. Поэтому сейчас на электровозах ВЛ23, ВЛ60, ВЛ80 и некоторых других используют косозубое зацепление (рис. 121, б). В таком зацеплении у зубчатых колес, расположенных с противоположных сторон тягового двигателя, зубья наклонены в разные стороны. Рабочая поверхность зубьев в косозубой передаче получается большей, а зацепление — более плавным. С увеличением нагрузки на одну пару шестерен появляется усилие, действующее вдоль оси якоря. Якорь несколько перемещается, и нагрузка на оба редуктора выравнивается.
Редукторы электровозов закрывают кожухами (рис. 122), в которые заливают смазку.
Смазка увеличивает срок службы зубчатых колес и уменьшает потери энергии в них. Кожух также предотвращает попадание в зубчатые колеса песка, способствующего усилению их износа. Кожух состоит из верхней и нижней половин, которые скрепляют болтами, а сам кожух крепят к остову двигателя.
Как уже было отмечено, двигатель опирается на ось колесной пары двумя моторно-осевыми подшипниками. Подшипники снабжены бронзовыми вкладышами с баббитовой заливкой. Одну сплошную половину вкладыша устанавливают в основание подшипника, отлитое как одно целое с остовом двигателя, а другую, с окном, — в шапку подшипника.
Смазку в моторно-осевые подшипники (рис. 123) заливают под давлением из резервуара с помощью шланга с наконечником. Наконечник вставляют в конусное отверстие смазочного устройства. Смазочное устройство обеспечивает постоянный уровень масла в нижней камере.
При вращении ось колесной пары захватывает смазку из промасленной шерстяной набивки, которая соприкасается с поверхностью оси через окно вкладыша.
Опорно-осевое подвешивание тягового двигателя имеет много недостатков. Наиболее существенный из них заключается в том, что примерно половина веса тягового двигателя передается непосредственно на колесную пару. В результате усиливаются жесткие удары колесной пары о рельсы при прохождении стыков и других неровностей пути, при входе электровоза в кривую. Это расстраивает путь и вызывает сильные сотрясения двигателя.
Отмеченный недостаток опорно-осевого подвешивания особенно сильно сказывается при скоростях движения электровозов более 100 км/ч. Кроме того, при таком способе подвешивания размеры двигателя, а следовательно, и его мощность ограничиваются диаметром движущих колес и расстоянием между ними.
174
Созданы передачи, позволяющие полностью передавать вес двигателя на надрессорное строение. Такое подвешивание двигателя называют опорно-рамным. Оно осуществлено, например, при использовании тяговых двигателей с полым валом и с карданным (торсионным) валом на пассажирских электровозах, с помощью кулачковых или эластичных муфт на пригородных электропоездах.
На электровозах, эксплуатируемых в Советском Союзе, передача с полым валом и карданным валом применена на электровозах ЧС1, ЧС2, ЧСЗ, ЧС4, используемых в пассажирском движении. Тяговый двигатель крепят к поперечным балкам рамы тележки (рис. 124); через полый вал якоря проходит торсионный вал. Имеется так же, как и при опорно-осевом подвешивании, зубчатый редуктор, но односторонний. Большое колесо редуктора укреплено на оси колесной пары, а малое на валу, подшипники которого установлены в кожухе, закрывающем также и большое зубчатое колесо. Кожух упруго подвешивается к раме тележки. Торсионный вал с одной стороны шарнирной муфтой связан с полым валом двигателя, с другой — также шарнирной муфтой с валом малого зубчатого колеса. Внутренний диаметр поло
Рис. 122 Кожух зубчатой передачи
Рис 123. Устройство для смазывания моторноосевых подшипников с постоянным уровнем смазки
Рис. 124 Опорно-рамное подвешивание тягового двигателя
175
го вала должен быть таким, чтобы при наибольших прогибах рессорного подвешивания торсионный вал не касался внутренней поверхности полого вала.
Шарнирные муфты являются наиболее сложным узлом передачи, так как они должны позволять перемещаться торсионному валу в вертикальном и аксиальном (вдоль продольной оси) направлениях. Применяются шарнирные муфты различной конструкции.
Существенный недостаток индивидуального привода заключается в повышенном воздействии электровозов на путь и сравнительно недостаточной долговечности привода и двигателей. На железнодорожном транспорте расходуются десятки миллионов рублей в год на замену зубчатых колес и ремонт тяговых двигателей. Одно время распространение получили электровозы с групповым приводом. На локомотиве устанавливался один мощный двигатель, который с помощью спарников приводил во вращение несколько колесных пар. Групповой привод в настоящее время вновь получает признание на новой технической основе.
Дело в том, что использование одного мощного двигателя для привода двух и даже трех колесных пар одной тележки (одномоторный привод) позволяет снизить вес и стоимость электровоза, уменьшить вероятность возникновения боксования. Кроме того, сокращается количество необходимых электроаппаратов, упрощается система вентиляции, требуется меньше проводов и кабелей.
На тележке с одномоторным приводом проще сделать редуктор с двумя передаточными отношениями и в результате получить два режима скорости, один из которых можно использовать при вождении пассажирских поездов, а другой — грузовых.
Поэтому в настоящее время проектируются электровозы с двухосными (ВЛ83) и трехосными тележками и одномоторным приводом, т. е. приводом двух или трех осей от одного тягового двигателя.
7.	Расположение оборудования на электровозах
Разместить все необходимое оборудование электровоза в сравнительно небольшом объеме, ограниченном габаритом подвижного состава, довольно сложно. Задача осложняется еще и тем, что оборудование должно быть расположено так, чтобы бригада, обслуживающая электровоз, имела сравнительно легкий доступ к наиболее важным машинам, аппаратам и механизмам, были обеспечены безопасность и удобство их обслуживания.
Вес оборудования должен равномерно распределяться между колесами локомотива.
176
Рис 125. Расположение оборудования на шестиосном электровозе постоянного тока
Располагая электрические аппараты и машины, стремятся защитить их от пыли, влаги и не допустить переброса электрической дуги на заземленные части или аппараты. Расстановку оборудования производят с учетом обеспечения безопасности обслуживающего персонала, создания условий хорошей видимости сигналов, пути и контактной подвески, снижения шума. Кроме того, предусматривают удобство монтажа и демонтажа оборудования во время постройки и ремонта локомотива.
На крыше электровоза (рис. 125 и 126) на изоляторах установлены два токоприемника. Между токоприемниками размещены главные резервуары, где хранится запас сжатого воздуха.
Путь и контактная сеть в темное время суток освещаются лобовыми прожекторами, установленными на крыше с обоих концов кузова. Внутри прожекторов укреплены отражатели света и лампы. Лампы включают или на полный, или на тусклый свет. Это осуществляется включением последовательно с лампой резистора или отключением его. Рядом с лобовыми прожекторами установлены звуковые сигналы: тифон и свисток.
12—1773	177
У электровозов переменного тока на крыше кузова устанавливают главный выключатель и разъединитель (см. рис. 126). На рисунке виден также вилитовый разрядник.
На лобовых стенках кузова (см. рис. 125) укреплены складные лестницы для подъема на крышу электровоза. На рис. 125 лестница показана опущенной. В лобовых стенках кузова электровозов с торцовыми площадками имеются двери для выхода на площадку. Площадка ограждена поручнями
На вертикальной колонке укреплены розетки межэлектровозного соединения На площадках установлены буферные фонари, которые служат для подачи световых сигналов При необходимости в фонари можно вставлять стекла различного цвета.
На электровозах ВЛ23, ВЛ8, ВЛ60, ВЛ80 и ЧС передних площадок нет. Вследствие этого буферные фонари вделаны в лобовые стенки кузова. Двери для входа в кабины машиниста здесь расположены по бокам кузова, а лестницы для подъема на крышу — внутри его. На буферных брусьях тележек или рамах кузова устанавливают автосцепки.
В кабине управления (рис 127 и 128) в непосредственной близости от сиденья машиниста с левой стороны его находится контроллер Справа несколько впереди установлен кран машиниста. С помощью этого крана приводят в действие пневматические тормоза поезда и отпускают их. Переводя ручку крана машиниста в различные положения, можно изменять тормозную силу.
Рис 126 Расположение оборудования на шестиосном электровозе переменного тока.
178
Рис 127 Кабина машиниста восьмиосного электровоза постоянного тока
Кроме поездного автоматического1 тормоза, электровозы оборудуют вспомогательным тормозом1 2. Для управления этим тормозом рядом с краном машиниста установлен еще один кран. Поездным краном машинист регулирует подачу сжатого воздуха в тормозную магистраль, В зависимости от давления в ней специальные приборы — воздухораспределители — либо пропускают сжатый воздух в тормозные цилиндры электровоза и вагонов, либо соединяют цилиндры с атмосферой. Вспомогательный кран соединяет главные резервуары с тормозными цилиндрами электровоза, минуя воздухораспределитель.
Перед сиденьем машиниста установлена панель с измерительными приборами, показывающими величины напряжения в контактной сети, тока в якоре тягового двигателя, давления воздуха в главных резервуарах, тормозной магистрали и других устройствах. На этой же панели
1 Автоматическим тормоз называется потому, что при разрыве или разъединении тормозной магистрали со сжатым воздухом, которая преходит по всему поезду, тормоз срабатывает автоматически, без вмешательства машиниста.
2 Вспомогательный тормоз на электровозе применяется как дополнительный к основному автоматическому. Действие его распространяется только на оси локомотива. Им пользуются главным образом при движении электровоза без состава или в случае следования с составом для торможения локомотива при переходе на спуск.
12* 179
Электрическая плитка
Панель с приборами
Кнопочный -выключатель
Электрические печи
Скоростемер
Сиденье машиниста
Ручной тормоз
Контроллер машиниста
Кнопочные Выключатели
Панель с приварами и сигнальными лампами
Кран вспомогательного тормоза
Кран машиниста
Рис. 128. Кабина машиниста шестиосного электровоза переменного тока
размещены сигнальные лампы, а на электровозах переменного тока и указатель позиций переключателя ступеней. Вблизи расположен также кнопочный выключатель с кнопками для подъема токоприемников, включения быстродействующего или главного выключателя, пуска вентиляторов, компрессоров, насосов и других устройств.
Справа от сиденья машиниста установлена панель с кнопками для подачи сигналов и подсыпки песка. Вверху находится скоростемер, вал которого системой рычагов и червячным редуктором связан с шейкой оси передней колесной пары. Скоростемер показывает локомотивной бригаде скорость движения, время, а также отсчитывает количество километров, пройденных электровозом. Самопишущее устройство скоростемера отмечает на бумажной ленте пробег электровоза, направление и скорость его движения, время стоянок, длительность пользования автоматическими тормозами, величину давления в тормозной магистрали.
С левой стороны кабины установлено сиденье помощника машиниста. Около него размещены кнопочный выключатель с кнопками для включения прожектора, буферных фонарей, электропечей, освещения кабины, ходовых частей, штурвал ручного тормоза, панель с кнопками для подачи сигналов и панель с измерительными приборами.
180
В кабине машиниста имеется также радиотелефон и локомотивный светофор, повторяющий сигналы напольных светофоров. Обычно расположение оборудования в обеих кабинах электровоза совершенно одинаково.
Из кабины машиниста на электровозе постоянного тока (см. рис. 125) через дверь в задней стенке можно пройти в помещение, где расположены вспомогательные машины, и к высоковольтной камере.
В каждом из двух помещений для вспомогательных машин установлены мотор-компрессор и мотор-вентилятор с генератором управления. На электровозах с рекуперацией в одном из этих помещений находится еще и мотор-генератор (возбудитель), в другом размещены аккумуляторная батарея и индуктивные шунты.
В средней части кузова расположена высоковольтная камера, в которой размещена вся высоковольтная аппаратура. При постройке электровоза оборудование высоковольтной камеры монтируют вне кузова. Это значительно уменьшает стоимость монтажных работ. По окончании монтажа высоковольтную камеру мостовым краном устанавливают на локомотив через люки в крыше.
Аппаратура в высоковольтной камере расположена в два этажа. В первом этаже находятся ящики пусковых резисторов, во втором — аппараты силовой цепи. Чтобы можно было вынуть и установить вспомогательные машины, в крыше кузова под токоприемниками устраивают съемные люки. Между боковыми стенками кузова и стенками высоковольтной камеры образуются два коридора, соединяющие кабины управления.
На электровозах переменного тока также за каждой кабиной машиниста расположены машинные помещения. На электровозе ВЛ60 входные двери локомотива сделаны в машинном отделении, а не в кабине (см. рис. 126). В каждом машинном помещении установлены расщепитель фаз с генератором управления, мотор-компрессор и мотор-вентилятор.
В середине кузова находится трансформаторное помещение, где размещен силовой трансформатор, а над ним групповой переключатель. Часть трансформатора опущена ниже уровня пола кузова. В этом же помещении находится переходный реактор, а сглаживающие дроссели — рядом, за стеной.
На электровозе ВЛ60 имеются две высоковольтные камеры, В них размещены выпрямительные установки, контакторы, реверсор, резисторы ослабления поля и т. п. Коридоры для прохода из одной кабины в другую отделены от высоковольтных камер и трансформаторного помещения сетчатыми раздвижными шторами.
IX
ЭКСПЛУАТАЦИЯ, СОДЕРЖАНИЕ и ремонт электровозов
1. Способы обслуживания поездов локомотивами
Важно не только создать мощные, быстроходные, надежные локомотивы, но и так организовать их эксплуатацию, чтобы они работали с наибольшим эффектом и максимальной отдачей. Эффективность использования локомотива характеризуется его производительностью, т. е. выполняемой им полезной работой по перемещению грузов в единицу времени. Производительность локомотива определяется произведением массы проведенных им за сутки поездов, включая массу самого локомотива, в тоннах на расстояние, на которое эти поезда перемещены, в километрах. Обычно производительность локомотива исчисляют в тонно-километрах (ткм) брутто.
В результате внедрения новых прогрессивных методов эксплуатации локомотивов, резкого повышения массы поездов, увеличения скорости их движения, сокращения простоев, значительного улучшения текущего содержания и ремонта тяговых средств производительность электровозов достигла в среднем по сети железных дорог почти 1,2 млн. ткм брутто в сутки.
Прежде железнодорожные линии делили на ряд небольших участков — тяговых плеч, по которым локомотив (паровоз) проходил без отцепки от состава. В начале тягового плеча строили основное депо, а в конце — оборотное. К основному депо было приписано определенное количество локомотивов; оно могло обслуживать не одно, а два тяговых плеча в двух противоположных направлениях. Если же депо располагали на узловой станции, то оно могло обслуживать и более двух тяговых плеч. Длина тягового плеча при паровой тяге, как правило, составляла 100—200 км. Она ограничивалась практически тем запасом топлива, который паровоз мог взять с собой в рейс. Воды обычно на полное тяговое плечо не хватало, и ее дополнительно набирали на одной из промежуточных станций. По прибытии в оборотное депо локомотив отцепляли, бригада осматривала его и шла отдыхать. Пока бригада отдыхала, паровоз простаивал. Затем локомотив снабжали топливом, водой, прицепляли к составу, и он возвращался на станцию, где на
182
ходилось основное депо. Здесь его снова отцепляли от состава и направляли в депо. В основном депо бригада сдавала паровоз другой бригаде. Обе бригады при сдаче локомотива совместно выполняли необходимые работы по уходу за паровозом.
К каждому паровозу были прикреплены определенные постоянные локомотивные бригады во главе со старшим машинистом. Такой способ обслуживания поездов локомотивами назывался плечевым с прикрепленными локомотивными бригадами. Обслуживание поездов локомотивами и локомотивов бригадами было малоэффективным, так как локомотивы подолгу простаивали в основном и оборотном депо, а также на промежуточных станциях, где набирали воду. Наибольший пробег паровоза не превышал 500 км в сутки.
Электровозы в отличие от паровых локомотивов, получая электрическую энергию от электростанций, могут следовать на очень большие расстояния, не отцепляясь от состава. Их не нужно снабжать ни топливом, ни водой. Устаревшие способы эксплуатации локомотивов, применявшиеся вначале для электровозов и тепловозов, значительно снижали эффективность использования новой тяговой техники. Барабин-ские и омские электровозники, правильно оценив возможности новых локомотивов, первыми в нашей стране начали внедрять прогрессивный способ эксплуатации современных локомотивов на удлиненных тяговых плечах при обслуживании сменными локомотивными бригадами.
Министерством путей сообщения СССР была разработана новая схема тяговых плеч и локомотивных депо для всей железнодорожной сети. В результате было объединено несколько сотен тяговых плеч. Удлиненные тяговые плечи, или, как их называют, участки обращения, вышли за границы отделений и даже за пределы дорог. Электровозы теперь следуют без отцепки от состава на расстояния 1000—1500 км.
В новых условиях пришлось отказаться от постоянного закрепления бригад за определенным локомотивом. Бригады теперь отправляются в рейс на любом курсирующем на данном участке обращения локомотиве. Этот локомотив может быть приписан даже не к тому депо, где работает бригада, а к соседнему. Смена локомотивных бригад большей частью происходит на станционных путях без отцепки локомотива. Так, электровоз без отцепки следует от станции А до Д (рис. 129), в то время как бригады меняются на станциях Б, В и Г.
Новая организация эксплуатации локомотивов создала благоприятные условия для совершенствования всего перевозочного процесса и вместе с тем потребовала более четкой, продуманной организации движения поездов на целых направлениях. За использование локомотивов теперь несут ответственность работники службы движения, т. е. те люди, которые могут непосредственно планировать использование тяго-
183
Рис. 129. Схема обслуживания электровоза сменными бригадами
вых средств, На работников же локомотивного хозяйства возлагаются функции поддержания локомотивов в работоспособном состоянии и выполнение требований безопасности движения.
Удлинение тяговых плеч, совершенствование методов эксплуатации локомотивов позволяют еще больше повысить производительность тяговых средств, т. е. добиться, чтобы новая техника работала с еще большей отдачей. Так, например, среднесуточный пробег локомотива поднялся с 233,2 км в 1936 г. (первый год, когда отмечали профессиональный праздник железнодорожника) до 517,8 в 1974 г. За этот период средняя масса поезда увеличилась более чем в 2,3 раза (с 1160 до 2704 т). Наибольший пробег паровоза не превышал 500 км в сутки. Многие бригады электровозов достигли пробега 1000 км и более.
Для того чтобы электровозы могли надежно и высокопроизводительно работать на длинных участках обращения, их нужно своевременно экипировать, правильно содержать и хорошо ремонтировать.
2- Экипировка, организация технического содержания и ремонта электровозов
Экипировать — это значит снарядить, пополнить те или иные запасы. В экипировку электровоза входит снабжение его песком, смазочными и обтирочными материалами, некоторыми запасными частями.
Экипировку осуществляют в экипировочных устройствах закрытого (рис. 130) или открытого типа. Экипировочные устройства открытого типа часто располагают на приемо-отправочных путях станций. На них производят экипировку локомотивов без отцепки от составов.
Песочницы электровоза заполняют песком из раздаточных бункеров. Прежде чем подать песок в бункера, его сушат в специальной вращающейся барабанной печи. Просушенный песок из печи попадает в
184
выжимной бак и оттуда по пескопроводу под напором сжатого воздуха выжимается в бункера.
В экипировочном устройстве предусматривают помещения для хранения и раздачи смазки и обтирочных материалов. Запас смазки в моторно-осевых подшипниках пополняют из бака, где находится масло под давлением.
Эксплуатация электровозов на удлиненных участках обращения позволила значительно повысить их производительность, создать лучшие условия труда для машинистов и их помощников. Но одновременно детали и узлы электровозов стали работать более интенсивно, напряженно, а время, в течение которого локомотивные бригады могли бы ухаживать за этими узлами и деталями, сократилось. Поэтому, чтобы обеспечить необходимое качество осмотра и ремонта локомотивов, гарантирующие их исправную безотказную работу на линии, введен технический осмотр электровозов и тепловозов в специальных пунктах технического осмотра. Они большей частью совмещаются с экипировочными устройствами. Технический осмотр осуществляют высококвалифицированные слесари не реже чем через 48 ч.
В основном депо в строго определенные сроки производят профилактический осмотр, малый и большой периодический ремонт электровозов, подъемочный ремонт, после выполнения электровозом установленной нормы пробега. Установлена последовательность выполнения различных видов ремонта. Так, большой периодический ремонт производят после нескольких малых периодических. Затем снова повторяется цикл малых периодических ремонтов до следующего большого периодического. Цикл малых периодических ремонтов заканчивается подъ-емочным ремонтом. При подъемочном ремонте поднимают кузов
Рис. 130. Экипировочное устройство закрытого типа
185
электровоза, выкатывают тележки, снимают тяговые двигатели, вспомогательные машины и после этого ремонтируют все узлы и детали.
Величина пробега электровозов между подъемочными ремонтами определяется необходимостью пропитки изоляции тяговых двигателей лаками, восстанавливающими ее изолирующие свойства. Для того чтобы пропитать обмотки, приходится выкатывать колесные пары с тяговыми двигателями и затем разбирать двигатели.
После подъемочного ремонта снова в той же последовательности чередуются малые и большие периодические ремонты, которые заканчиваются заводским ремонтом первого объема. Между заводским ремонтом первого объема и затем второго объема снова повторяются малые и большие периодические ремонты и снова производится подъ-емочный ремонт. Вторым заводским ремонтом заканчивается полный ремонтный цикл электровоза.
Термин «ремонт» с давних пор обычно связывали с кустарщиной, ручным тяжелым трудом. Во времена паровой тяги это было действительно так. Тогда считали, что индустриальные методы ремонта — широкое применение механизации, автоматизации, поточных методов и конвейеров — в ремонтном деле невозможно.
Бурный технический прогресс отразился и на технологии ремонта. Новые локомотивы, насыщенные деталями и узлами большой точности, устройствами автоматики, сложными приборами, в том числе и электронными, нельзя ремонтировать кустарным способом. Новая техника потребовала более совершенной организации ремонта. Теперь в электровозных депо применяют прогрессивный крупноагрегатный метод оздоровления локомотивов, при котором многие крупные узлы заменяют заранее отремонтированными. Важное значение имеет внедрение научной организации труда, применение системы сетевого планирования и управления производством по опыту передовых депо Гребенка, Рыбное, Московка и многих других.
По примеру тепловозников Казахской магистрали проведена специализация депо на ремонтные и эксплуатационные.
Ремонтные депо — наиболее оснащенные — полностью освобождены от приписного парка локомотивов и специализированы только на трудоемких видах ремонта — подъемочном и большом периодическом. Специализация депо, концентрация ремонта создают хорошие предпосылки для широкого использования крупноагрегатного метода ремонта и применения на его основе поточных линий для восстановления отдельных узлов и деталей с комплексной механизацией и автоматизацией технологических процессов.
Эксплуатационные депо, освобожденные от забот по ремонту, сосредоточивают свое внимание на текущем содержании локомотивов, что дает возможность обеспечить их надежную работу на линии.
186
Научно-технический прогресс создает базу для интенсификации производства, повышения качества работы. Он характеризуется не только значительными научными открытиями, крупномасштабными дорогостоящими преобразованиями, но и широким внедрением новых механизмов, инструментов, усовершенствованием технологии и организации, творческими находками новаторов, словом всем тем, что облегчает труд человека, делает его более производительным.
Наглядной иллюстрацией этого служит опыт коллектива станции Люблино-Сортировочное, который, модернизировав существующие устройства, творчески использовав комплекс передовых методов, внедрив новую технологию, добился наименьшего простоя вагонов на станции и высокой производительности труда. Постановление ЦК КПСС об опыте работы станции Люблино-Сортировочное является боевой программой действия для всех железнодорожников, в том числе и работников локомотивного хозяйства.
Пример творческого применения этого опыта показывает коллектив депо Георгиу-Деж. Широкое применение прогрессивной технологии ремонта позволило сократить с трех суток по нормам до двух суток продолжительность подъемочного ремонта восьмиосных электровозов Благодаря созданным на некоторых дорогах лабораториям надежности, совершенствованию технологии ремонта удалось значительно повысить межремонтные пробеги локомотивов.
На дорогах организуется опытная работа электровозов переменного тока с увеличенными пробегами между деповскими ремонтами. Одновременно изменены цикличность и виды деповского ремонта — упразднен профилактический осмотр и малый периодический ремонт электровозов, взамен которых введен периодический ремонт.
X
ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ, КОНТАКТНАЯ СЕТЬ, И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
1. Тяговые подстанции
В главе I было отмечено, что тяговые подстанции дорог постоянного и переменного тока значительно отличаются друг от друга по устройству.
Тяговые подстанции, как и любые электроустановки, должны обеспечивать надежность электроснабжения локомотивов, быть по возможности несложными, безопасными в обслуживании, недорогими при монтаже и эксплуатации.
Познакомимся с устройством тяговой подстанции постоянного тока (рис. 131). На подстанции установлено два тяговых трансформатора, понижающих напряжение до 3,3 кВ. Каждый тяговый трансформатор соединен со своей выпрямительной установкой. Выпрямительные установки собирают из кремниевых вентилей, соединенных последовательно и параллельно, так же как на электровозах переменного тока. Катоды выпрямительных установок быстродействующими выключателями БВ и разъединителями Р соединены с плюсовой шиной распределительного устройства постоянного тока. Нулевые точки вторичных обмоток тяговых трансформаторов соединены разъединителями с минусовой шиной.
Плюсовая, или как еще ее называют, главная шина, питающей линией (фидером) соединена с контактной сетью. В питающую линию для защиты подстанции от коротких замыканий и перегрузок в контактной сети включены быстродействующий выключатель и два разъединителя, при отключении которых можно производить в безопасных условиях ревизию или осмотр БВ.
В действительности питающих линий несколько. Количество их зависит от числа электрифицированных путей на перегоне, путевого развития станций, наличия депо. Минусовую шину или обратную соединяют с рельсами отсасывающей воздушной или кабельной линией (отсасывающий фидер).
Коротко познакомимся с особенностями выпрямления переменного тока на тяговых подстанциях. На стр. 52 было отмечено, что выпрям
188
ленный ток на подстанциях практически постоянный в отличие от пульсирующего на электровозах переменного тока. Объясняется эта разница тем, что на тяговых подстанциях выпрямляется трехфазный ток в отличие от однофазного, который подводится к электровозам переменного тока.
При однофазном токе для уменьшения пульсаций применяется двухполупериодная схема выпрямления (см. рис. 63); по такой же схеме включают и все три фазы вторичной обмотки трансформатора. Вследствие этого три обмотки соединены в прямую звезду и три обмотки в обратную звезду (рис. 131, б) и к ним присоединены шесть вентилей, работающих поочередно. В действительности с помощью специальной катушки, соединяющей нулевые точки прямой и обратной звезды, две трехфазные группы работают параллельно, но обеспечивается шестифазная схема выпрямления (рис. 131, в). Кроме того, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в обратную шину включают сглаживающий реактор.
Номинальное напряжение в контактной сети дорог постоянного тока составляет 3 кВ. Все тяговые и другие расчеты производят на это номинальное напряжение. На шинах тяговых подстанций напряжение составляет 3,3 кВ, т. е. выше на 10%, чем номинальное. Это необходимо для компенсации падения напряжения в контактных проводах. В контактной сети допускается напряжение не менее 2,7 кВ.
В заключение отметим, что рис. 131 весьма упрощен: на нем, па-пример, не показаны запасная шина и запасной БВ, с помощью
Рис. 131. Принципиальная схема тяговой подстанции постоянного тока
189
к лэп	к лэп
Рис 132. Принципиальная схема тяговои подстанции переменного тока с грел-обмоточными трансформаторами
которых без перерыва в питании можно заменить любой БВ, включенный в питающий провод, и ряд других устройств и аппаратов.
На подстанциях дорог переменного тока используют тяговые трансформаторы различных типов с разными схемами соединения их обмоток, что зависит от величины нагрузок и условий электроснабжения тяговой подстанции. В случае питания тяговой подстанции от двух линий электропередачи первичные обмотки тяговых трансформаторов Т1 и Т2 (рис. 132) присоединяют к этим двум независимым линиям. При необходимости их можно подключить к одной и той же линии электропередачи перемычкой (на рис. 132 перемычка не показана). Две фазы вторичных например А и С, соединены с ши
обмоток тяговых трансформаторов,
нами тяговой подстанции. Напряжение на шинах составляет 27,5 кВ. Шины высоковольтными выключателями ВВ и питающими линия-
ми электрически соединены с контактной сетью двухпутного участка I и II. Третья фаза (в нашем примере В) соединена с рельсами отсасывающей линией. Более или менее равномерная нагрузка фаз обеспечивается соединением контактной сети пути / с фазами А и С. Также соединена контактная подвеска и пути II. Для предупреждения короткого замыкания между фазами А и С контактная подвеска участка каждого пути, питающегося от разных фаз, разделена электрически нейтральной вставкой, об устройстве которой будет рассказано ниже.
На дорогах Советского Союза тяговые подстанции одновременно снабжают электроэнергией нетяговые потребители, расположенные вдоль магистрали (поселки, промышленные предприятия, колхозы и совхозы).
Поэтому тяговые трансформаторы имеют третью обмотку, соединенную с шинами А', В', С', от которых питаются нетяговые потребители. Тяговые подстанции постоянного тока также снабжают электроэнергией нетяговые потребители. Напомним, что в плане ГОЭЛРО, цитата из которого приведена на стр. 17, говорилось о постройке централей, «...питающих электрическим током не только дорогу, но и всю округу...». В настоящее время на ряде электрифицированных желез
190
ных дорог прилегающие районы получают энергию только от тяговых подстанций. Предполагается, что в 1975 г. районным нетранспортным потребителям будет передано 20—22 млрд.-кВт-ч (50% энергии, затрачиваемой на тягу поездов). Значительная часть энергии будет использована сельскохозяйственными потребителями. Снабжение прилегающих районов электрической энергией от контактной сети железных дорог дает большой экономический эффект, так как при этом ликвидируются мелкие местные электростанции. Например, в течение 1961—1970 гг. было закрыто около 1400 железнодорожных электростанций. Это обеспечивает годовую экономию около 15 млн. руб
Тяговые подстанции имеют также трансформаторы для питания собственных нужд (например, освещение, отопление и проч.), трансформаторы напряжения для питания релейной защиты, счетчиков и т. п. Эти присоединения на рис. 131 и 132 не показаны. От тяговых подстанций получают питание устройства железнодорожной сигнализации, связи, автоблокировки.
Номинальное напряжение в контактной сети дорог переменного тока составляет 25 кВ. Повышение напряжения на шинах подстанции на 10% предусмотрено для компенсации падения напряжения в контактной сети. Уровень напряжения на токоприемнике должен быть не менее 21 кВ, за исключением аварийных случаев (см стр. 124).
Тяговые подстанции дорог переменного тока располагают примерно через 50—60 км друг от друга, а постоянного через 15—20 км.
2. Контактная сеть
Контактная сеть служит для непосредственного подведения электрической энергии к электроподвижному составу
В зависимости от назначения и условий эксплуатации контактная сеть может быть выполнена в виде воздушной контактной подвески на опорах или контактного (третьего) рельса, установленного рядом с путями на кронштейнах с изоляторами. Контактные рельсы используют в СССР только на метрополитенах. На магистральных электрических железных дорогах нашей страны контактные рельсы не применяют из-за трудностей, связанных с обеспечением безопасности людей и животных и защиты от снежных заносов.
Контактная сеть должна обеспечивать бесперебойный токосъем при наибольших скоростях в любых атмосферных условиях. Практически это требование означает, что при значительных колебаниях температуры, образовании гололеда, сильном ветре, максимальной допустимой скорости движения электроподвижного состава, установленной графиком движения, не должен нарушаться скользящий контакт
191
Рис. 133. Схема простой (трамвайной) подвески контактного провода
между контактным проводом и токоприемником.
Воздушные контактные подвески подразделяют на простые и цепные. Простая контактная подвеска, называемая иногда трамвайной (рис. 133), состоит из контактного провода, подвешенного на опорах к консолям на изоляторах. Контактный провод может занимать почти
горизонтальное положение только при какой-либо заранее выбранной температуре. Если будет другая температура, он либо провиснет, либо натяжение его превысит допустимое. В условиях больших скоростей движения токоприемник может не успевать следовать за очертаниями контактного провода; в результате этого возможны нарушения скользящего контакта, особенно в точках подвеса контактного провода. На электрических железных
дорогах простая контактная подвеска применяется только на второстепенных станционных путях, где допускаются небольшие скорости
движения.
На магистральных электрических железных дорогах в СССР, как и за рубежом, применяют цепные контактные подвески, которые в свою очередь подразделяют на одинарные и двойные. Цепные подвески значительно улучшают работу контактной сети, позволяют увеличивать расстояние между опорами и обеспечивают безыскровой скользящий контакт при высоких скоростях.
В цепной одинарной подвеске (рис. 134) контактный провод с помощью часто размещенных струн подвешивают к несущему тросу, имеющему большой провес. Несущий трос с помощью изоляторов крепится к консолям, расположенным на опорах. Положение цепной
Рис 134 Схема цепной одинарной подвески 192
Рис. 135. Схема двойной цепной подвески
подвески относительно оси пути устанавливают фиксаторами, в которые включены фиксаторные изоляторы. При двойной цепной подвеске (рис. 135) к несущему тросу на струнах подвешивают вспомогательный провод, к которому также струнами крепят контактный провод. Двойная цепная подвеска допускает наибольшие скорости движения.
Контактный провод в цепных подвесках подвешивают так, чтобы он располагался по всей длине пролета примерно на одной высоте от головки рельса. Это достигается применением струн разной длины: коротких в средней части пролета и более длинных у опор.
В плане на прямых участках пути контактные провода располагают зигзагообразно относительно оси пути. Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников. Величину зигзага устанавливают в соответствии с длиной рабочей части токоприемника. На дорогах Советского Союза зигзаг составляет 300 мм в каждую сторону. Зигзаг контактному проводу придают фиксаторами на каждой опоре.
Несущий трос может быть расположен зигзагообразно вместе с контактным проводом (рис. 136, а), по оси пути (рис. 136, б) и с зигзагом, обратным зигзагу контактного провода (рис. 136, в). В зависимости от этого цепная подвеска называется соответственно вертикальной, полукосой и косой. Выбор типа расположения подвески в плане зависит от скорости и преимущественного направления ветра на данном участке. Косая цепная подвеска наиболее устойчива в отношении воздействия ветра и позволяет применять пролеты большей величины. Однако монтаж ее значительно сложнее.
В проводах контактной подвески необходимо поддерживать определенное натяжение, чтобы обеспечить минимальные стрелы провеса контактного провода. На электрических железных дорогах применяют полукомпенсированные и компенсированные контактные подвески, отличающиеся способом натяжения проводов.
13—1773	193
В полукомпенсированной цепной подвеске с помощью грузовых компенсаторов (рис. 137) обеспечивают постоянное натяжение контактного провода независимо от его температуры. Из-за этого отдельные точки контактного провода перемещаются вдоль пути при изменениях окружающей температуры и тем больше, чем ближе точка находится к компенсатору. Так как в полукомпенсированной подвеске несущий трос закреплен на опоре жестко, при колебаниях температуры стрела его провеса изменяется (рис. 138). Вместе с несущим тросом приподнимается или опускается контактный провод. В зимнее время возникает так называемый отрицательный провес (рис. 138, в), что значительно снижает качество токосъема. Учитывая это, в полукомпенсированной подвеске натяжение контактного провода регулируют так, чтобы он располагался беспровесно не при средней среднегодовой температуре, а ниже ее на 10-4-15°С.
В компенсированной цепной подвеске в контактный провод и несущий трос включены приспособления, автоматически компенсирующие температурные изменения и поддерживающие постоянное натяжение троса и контактного провода.
Довольно часто контактный провод и несущий трос крепят к общему компенсатору.
Грузовой компенсатор в полукомпенсированной и компенсированной подвеске состоит из груза и нескольких блоков, через которые его с помощью троса присоединяют к проводам.
----------- Несущий, трос -Нонтактний. npoSoi -Oct пути
Рис. 136. Расположение цепной подвески в плане
Рис. 137. Схема полукомпенсированной цепной подвески
194
Рис. 138 Изменение стрелы провеса полукомпенсированной цепдой подвески в зависи мости от температуры.
а — беспровесное положение, б — положительный провес, в — отрицательный провес (штриховыми линиями на рис бив показано беспровесное положение)
Обычно натяжение контактного провода устанавливают равным 10 000 Н (1000 кгс). Тогда вес груза при одном подвижном блоке составляет 5000 Н (500 кгс) и при двух подвижных блоках 2500 Н (250 кгс). Для возможности включения грузовых компенсаторов в провод контактной подвески последнюю разбивают на отдельные участки, механически не связанные друг с другом (рис. 139), называемые анкерными. Длина анкерного участка в зависимости от натяжения контактного провода, допустимых перемещений проводов с грузовыми компенсаторами составляет около 1600 м на прямых участках пути.
В полукомпенсированной или компенсированной подвеске не исключена вероятность того, что по какой-либо причине контактный
провод при температурных изменениях начнет перемещаться только в сторону одного грузового компенсатора, например при неисправности блока компенсатора, расположении подвески на уклоне, под действием токоприемника и т. д. Во избежание этого устраивают так называемую среднюю анкеровку, т. е. жестко закрепляют контактный
провод в середине анкерного участка.
В полукомпенсированной цепной подвеске средняя анкеровка представляет собой отрезок троса, прикрепленный в средней точке а к контактному проводу (рис. 140), а концами — к несущему тросу. Разность усилий в двух частях анкерного участка воспринимается одной из ветвей средней анкеровки. В случае обрыва контактного
провода (предположим в точке б) из строя выходит только половина анкерного участка. Устройство средней анкеровки компенсированной подвески сложнее, так необходимо ее выполнить и для контактного провода и для несущего троса.
Чтобы обеспечить плавный переход полоза токоприемника с контактного провода одного
Рис 139 Анкерный участок
13* 195
анкерного участка на смежный без нарушения скользящего контакта и снижения установленной скорости движения, устраивают так называемые сопряжения анкерных
Рис, 140. Схема средней анкеровки	участков. Рассмотрим такое
сопряжение (рис. 141). Между анкерными опорами 1 и 4 расположены две переходные опоры 2 и 3, на которых подвешены контактные подвески анкерных участков I и II.
В пролете между переходными опорами каждый из контактных проводов по мере приближения к переходной опоре, с которой он отходит к своей анкерной опоре, постепенно поднимается и у переходной опоры располагается на 200 мм выше рабочего контактного провода. Этого достигают соответствующим укорочением струн. Токоприемник, проходя между опорами 2 и 3, сначала скользит по контактному проводу одного участка (например, I при движении слева направо), затем примерно в середине пролета касается проводов обоих сопрягаемых участков и далее продолжает движение, касаясь контактного провода сопрягаемого анкерного участка II.
Если контактные подвески в сопряжениях анкерных участков электрически не связаны специальными электрическими соединителями, то образуется так называемый воздушный промежуток и контактные подвески сопрягаемых анкерных участков соединяются электрически только в момент прохода токоприемника через сопряжение.
В тех случаях, когда анкерные участки даже на мгновение нельзя электрически соединять, например при сопряжении анкерных уча-
Рис. 141. Схема сопряжения анкерных участков
196
стков с различными по фазе напряжениями, применяют нейтральные вставки (рис. 142).
Нейтральной вставкой называют участок контактной подвески, на котором в нормальных условиях нет напряжения. Раньше, когда на дорогах постоянного тока применялось напряжение 1500 и 3000 В нейтральные вставки устраивали в местах сопряжения электрифицированных участков с разными напряжениями. Для этого были созданы электровозы на два напряжения. Теперь нейтральные вставки на дорогах постоянного тока устраивают в тех случаях, когда габариты какого-либо искусственного сооружения не позволяют подвесить контактный провод, находящийся под напряжением, без нарушения минимального расстояния до ближайших заземленных частей.
Нейтральную вставку осуществляют путем монтажа дополнительной контактной подвески 1, образующей вместе с подвесками смежных анкерных участков I м. II два последовательно включенных воздушных промежутка. Нейтральные вставки располагают так, чтобы токоприемник локомотива, следующего через сопряжение анкерных участков, сначала переходил с контактного провода анкерного участка I (при движении слева направо) на нейтральную вставку и далее с нейтральной вставки на контактный провод анкерного участка II. Через нейтральную вставку поезд проходит без тока по инерции. Для того чтобы он не остановился в пределах нейтральной вставки, при подходе к ней машинист разгоняет поезд до соответствующей скорости. Если поезд вынужденно остановился под нейтральной вставкой, то его выводят, включив секционные разъединители 2 или 3 в зависимости от того, в какую сторону должен двигаться поезд.
Разъединитель включается по приказу энергодиспетчера. Для того чтобы машинист знал, где нужно отключить и снова включить ток, устанавливают предупредительные сигнальные знаки.
Обеспечение надежной работы контактной сети и удобства обслуживания осуществляют путем деления ее на отдельные участки — 197
Условные од означения в схеме
Разъединитель с моторным при-Вором нормально Включенный
(0) Разъединитель с моторным при-Водам нормально отключенный
——'/-Сопряжение с нейтральной Вставной
—— Сопряжение анкерных участков
Рис. 143. Схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутной линии
секции, электрически не связанные друг с другом. Секционирование выполняют исходя из следующих условий: обязательно разделяют электрически контактную сеть у каждой тяговой подстанции, каждого поста секционирования; отделяют контактную сеть перегонов от контактной сети станций; на станциях, имеющих несколько парков или групп путей, контактную сеть каждого парка или группы путей выделяют в отдельные секции.
Секционирование контактной сети на перегонах осуществляют с помощью воздушных промежутков, нейтральных вставок, а на путях станций — с помощью специальных секционных изоляторов, которые включают в провода контактной подвески. В контактные провода секционные изоляторы врезают так, чтобы обеспечить беспрепятственный проход токоприемников. Принятую схему секционирования для нормальных условий можно изменять в зависимости от аварийных ситуаций, включая или выключая секционные разъединители. Переключают секционные разъединители с помощью приводов, которыми управляют дистанционно или вручную. На рис. 143 приведена для примера схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутной линии дороги переменного тока. Тяговая подстанция шестью питающими линиями (фидерами) Ф1 — Ф6 питает шесть различных секций контактной сети перегонов и главных путей станции. В каждую питающую линию включены секционные разъединители, с помощью которых питающие линии могут быть отключены в обесточенном состоянии. На дорогах переменного тока каждая секция контактной сети перегона питается от разных фаз в определенной очередности. Это способствует выравниванию нагрузок отдельных фаз, так как асимметрия нагрузок фаз вызывает асимметрию их напряжения, ухудшающую условия работы присоединенных к той же линии электропередачи потребителей.
Как правило, каждый участок контактной сети дорог переменного и постоянного тока получает двустороннее питание от двух тяговых 198
подстанций 1 и 2 (рис. 144), что уменьшает потери напряжения и потери энергии в контактной сети. Вполне понятно, что при двустороннем питании контактная сеть участка переменного тока должна быть подключена с обеих сторон к одной и той же фазе.
Для защиты контактной сети от коротких замыканий и уменьшения потерь напряжения устраивают так называемые посты секционирования. В месте установки поста
Рис. 144. Схема двустороннего питания участка контактной сети с постом секционирования
контактная сеть каждого пути, например двухпутного участка, разде-лена (секционирована) воздушными промежутками П. Секции контактной сети соединяют масляными выключателями на дорогах переменного тока или быстродействующими на дорогах постоянного тока через общую шину поста Ш. Тогда к электровозу ток проходит по четырем участкам контактной сети: Л+Л+Л+Л- Если возникнет короткое замыкание, например в точке к, отключается только половина длины контактной сети одного из путей участка между тяговыми подстанциями.
Несколько отличны схемы питания и секционирования контактной сети станций стыкования, т. е. железнодорожных станций, на которых осуществляют стыкование линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе. В контактной сети таких станций выделяют необходимое число секций, в которые можно подавать напряжение как постоянного, так и переменного тока (рис. 145).
Секции в зависимости от того, с какого участка прибывает электровоз, питаются либо постоянным, либо переменным током. Их переключают на постоянный или переменный ток одновременно с приготовлением маршрута следования поезда (перевод стрелок и включение соответствующих сигналов). В СССР разработана и внедрена
Тяговая подстанция постоянного и переменного тока
БИ ~
Постоянный '	Постоянный или 	Переменный
тон	переменный ток	Ьтгптгптт	ток
Рис. 145. Схема стыкования контактной сети участков постоянного и переменного тока
199
специальная автоматическая система МРЦ (маршрутно-релейная централизация), не допускающая возможности попадания локомотивов постоянного тока под переменное напряжение в контактной сети, и наоборот.
При наличии электровозов двойного питания (см. § 9 главы V) необходимость устройства станций стыкования отпадает.
Для уменьшения сопротивления рельсовой сети тяговому току устанавливают соединители в рельсовых стыках. Стыковые соединители представляют собой небольшие отрезки гибкого медного провода с двумя наконечниками, привариваемыми к рельсам по обе стороны стыка.
На линиях, оборудованных автоблокировкой или электрической централизацией, устраивают изолированные стыки для разделения рельсов на блок-участки. В этих случаях путь для тягового тока в обход изолированных стыков без нарушения работы устройств автоблокировки обеспечивают с помощью дроссель-трансформаторов, называемых также путевыми дросселями (рис. 146). Дроссель-транс-форматоры устанавливают с обеих сторон каждого изолированного стыка. Средние точки трансформаторов соединяют.
Для срабатывания устройств автоблокировки необходимо, чтобы сигнальный ток прошел из одной рельсовой нити в другую, отделенную изолированным стыком. Обмотки дроссель-трансформаторов обладают большим индуктивным сопротивлением, что практически делает невозможным прохождение через них сигнального переменного тока частотой 75 Гц. В последнее время в устройствах автоблокировки на дорогах переменного тока применяют ток частотой 25 Гц, а на дорогах постоянного тока 50 Гц, что предупреждает ложное срабатывание сигналов автоблокировки.
Переменный или постоянный тяговый ток А свободно проходит через обмотки дроссель-трансформаторов в перемычку между их средними точками, так как тяговые токи в каждой половине обмотки дросселя направлены встречно, вследствие чего магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно уничтожаются.
В целях обеспечения безопасности людей и увеличения надежности защиты контактной сети от токов короткого замыкания металлические опоры контактной сети, металлические конструкции, используемые для крепления проводов контактной сети, а также металлические конструкции, расположенные на расстоянии менее 5 м от частей контактной сети, находящихся под напряжением, заземляют.
Заземляют также арматуру железобетонных опор и все металлические конструкции крепления изоляторов контактной сети, приводы секционных разъединителей и компенсаторы, расположенные на железобетонных опорах.
200
Рис. 146. Схема дроссель-трансформатора
35'
Рис. 147. Сечение контактного провода
50
На электрифицированных железных дорогах в качестве контактных наибольшее распространение получили провода марки МФ (медный, фасонный). Фасонными их называют из-за двух продольных пазов (рис.-147), необходимых для закрепления различных зажимов. На главных путях применяют контактные провода сечением 100 и 150 мм2 (МФ-100, МФ-150), а на станционных — сечением 85 мм2. Иногда используют также провода бронзовые, сталемедные.
В качестве несущих тросов применяют медные и биметаллические (сталемедные) провода, стальные тросы. Биметаллические провода свиты из отдельных биметаллических проволочек, каждая из которых имеет стальную сердцевину, покрытую тонким слоем меди. Сечение проводов контактной сети дорог переменного тока значительно меньше, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется более высоким напряжением, подводимым к токоприемникам электровозов. Обычно на дорогах переменного тока вполне достаточно несущего троса и контактного провода для обеспечения необходимой проводимости контактной подвески.
На дорогах постоянного тока часто вынуждены подвешивать два контактных провода, располагая их рядом, кроме того, дополняют подвеску усиливающими проводами.
Высота контактного провода над уровнем головок рельсов должна быть, как правило, не менее 6250 мм на станциях и 5750 мм на перегонах. В исключительных случаях с разрешения МПС эта высота может быть уменьшена до 5675 мм. Наибольшая высота контактного провода установлена 6800 мм.
3- Блуждающие токи. Мешающее действие тягового тока на линии связи
Блуждающие токи. На электрифицированных железных дорогах постоянного тока контактная сеть может иметь положительную или отрицательную полярность. Для работы электровозов это обстоятель-
201
WW^y/I'
/Ж

/ / / \ \\
ЖШЯЖЖЖЖдавЖЖЖЖЖЖЖИЖЖЖМЖИЯШЯЖИ®
А но впая зона
Катодная зона
Анодная зона
Ш\_____________Н!\\\______________________////
Катодная зона	Анодная зона	Катодная зона
Рнс. 148. Расположение анодных и катодных зон при положительной (а) н отрицательной (6) полярностях контактной сети
ство существенной роли не играет. Действительно, если поменять по" лярность контактной сети, предположим, с положительной на отрицательную или наоборот, то от этого не изменится направление вращения тяговых двигателей и вспомогательных машин и не нарушится нормальная работа электрических аппаратов.
Отреагируют на изменение полярности только быстродействующий выключатель и измерительные приборы. В быстродействующем выключателе с изменением полярности магнитные потоки удерживающей катушки и размагничивающего витка будут складываться, и при перегрузках или коротких замыканиях выключающая пружина не сможет оторвать якорь от полюсов магнитопровода, так как он притягивается к ним еще сильнее (см. рис. 31). Стрелки измерительных приборов — амперметра и вольтметра — с изменением полярности будут отклоняться в противоположную сторону. Поэтому нужно поменять местами провода, подходящие к удерживающей катушке быстродействующего выключателя и к измерительным приборам.
До 1953 г. на наших железных дорогах были электрифицированные участки как с положительной, так и с отрицательной поляр
202
ностью контактной сети. Попробуем разобраться, каковы особенности при этом работы электрических железных дорог.
Если контактная сеть имеет положительную полярность (рис. 148, а), то токи от тяговых подстанций проходят по контактной сети через силовую и вспомогательную цепи электровоза и затем по рельсам и отсасывающим проводам возвращаются на соответствующие подстанции. Так как рельсы не изолированы электрически от земли, а закреплены на шпалах, лежащих на балласте, то часть тока проходит по земле. Иногда такие токи обнаруживались измерениями на расстоянии нескольких десятков километров от тяговых рельсов. Поэтому их называют блуждающими.
В местах, где вблизи полотна железной дороги проложены подземные металлические сооружения, например, трубопроводы, тяговые токи проходят по этим сооружениям и затем около тяговых подстанций, там, где к рельсам присоединены отсасывающие провода, снова стекают в землю. Те участки (зоны), где блуждающие токи переходят из земли в металлические подземные сооружения, называют катодными зонами, а где стекают с сооружений в землю — анодными (см. рис. 148, а).
Переход тока в землю в анодных зонах вызывает разрушение металла—электрокоррозию. Электрокоррозия может быть очень интенсивной. Например, наблюдались случаи, когда стальные трубопроводы вследствие электрокоррозии выходили из строя через 3 года; еще быстрее повреждаются кабели связи. Разрушаются также рельсы и рельсовые скрепления. Для борьбы с электрокоррозией принимают различные меры.
Когда контактная сеть имеет отрицательную полярность (рис. 148, б), то анодная зона перемещается вместе с перемещением элек-троподвижного состава и разрушение подземных сооружений происходит не в одном месте, как при положительной полярности, а более равномерно—по всему участку с небольшой интенсивностью. Но в этом случае трудней осуществить защиту от электрокоррозии.
В связи с широкой электрификацией железнодорожного транспорта — переводом на электрическую тягу целых магистралей возникла необходимость выбрать единую полярность контактной сети. В СССР теперь принята единая полярность: плюс — контактная сеть, минус — рельсы. При этом принимают специальные меры по борьбе с электрокоррозией.
На электрифицированных дорогах переменного тока подземные сооружения подвергаются электрокоррозии в значительно меньшей степени. Это объясняется тем, что переменный ток в 1 с 100 раз меняет свое направление. Соответственно в 100 раз уменьшается опасность электрокоррозии.
203
Мешающее влияние электрифицированных железных дорог. Нормальная работа железных дорог невозможна без устройств связи различного назначения. Например, на дорогах должна быть магистральная, дорожная, местная и другие виды связи для руководства движением поездов. Кроме того, на участках железных дорог имеется участковая связь, поездная и диспетчерская, поездная межстанционная, постанционная и другие виды. Поэтому вдоль железных дорог проложены провода воздушных линий связи.
На электрифицированных участках они попадают в зону действия магнитного поля, создаваемого тяговым током. Если тяговый ток имеет значительные пульсации, то пульсирующее магнитное поле, пересекая провода линий связи, индуктирует пульсирующие электродвижущие силы, которые вызывают пульсирующий переменный ток. Этот ток ухудшает, например, слышимость при телефонной связи.
Известно, что тяговые подстанции дорог постоянного тока преобразуют переменный ток в практически постоянный, пульсации которого существенно не сказываются на работе тяговых двигателей. Однако даже небольшие пульсации оказывают мешающее действие на линии связи. Чтобы снизить пульсации, на тяговых подстанциях устанавливают электрические фильтры (см. рис. 131). Фильтр состоит из реактора и параллельно включенных резонансных контуров LC.
Пульсирующую часть выпрямленного тока можно представить состоящей из ряда синусоидально изменяющихся токов различной частоты. Основная частота пульсаций при шестифазном выпрямлении будет равна 50 • 6 — 300 Гц. Резонансный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Каждый контур настраивают так, чтобы он обладал минимальным сопротивлением для пульсирующего тока определенной частоты, по сравнению с сопротивлением контактной сети. Поэтому токи различных частот будут отфильтровываться на тяговой подстанции. Постоянная составляющая пульсирующего тока не проходит через контуры, так как конденсаторы оказывают ему бесконечно большое сопротивление.
На дорогах переменного тока воздушные линии связи заменяют кабельными, так как защитить их от мешающего действия переменного магнитного поля,, создаваемого тяговым током, невозможно.
4. Коэффициент полезного действия электрической тяги
Одним из важнейших показателей, по которому оценивают эффективность того или иного вида тяги, является величина коэффициента полезного действия (к. п. д.), который представляет собой oi-ношение полезно использованной энергии к затраченной.
204
Рассмотрим, как можно определить к. п. д. электрической тяги. Электрическая энергия, вырабатываемая электростанциями, перед тем как будет использована на электровозе, претерпевает ряд преобразований, при которых неизбежны потери энергии. Поэтому к. п. д. определяют для разных этапов передачи и преобразования электрической энергии, например, от ввода питающей линии электропередачи на тяговую подстанцию до ободов колес электровоза.
Этот к. п. д. будет характеризовать использование электрической энергии только в устройствах электроснабжения электрифицированной дороги и на электровозе. Но можно подсчитать к. п. д. с учетом всех потерь энергии, заключенной в топливе, сжигаемом на электростанции, или в падающей воде, приводящей в действие турбины гидростанций, на всех этапах преобразования. Первый к. п. д. называют относительным, второй — полным к. п. д. электрической тяги.
Сравнивая, например, экономичность паровой и электрической тяги, необходимо учитывать полный к. п. д. Полный к. п. д. равен произведению коэффициентов полезного действия электростанции, линии электропередачи, тяговой подстанции, контактной сети и электровоза.
Коэффициент полезного действия тепловых электростанций непрерывно растет вследствие резкого повышения мощности их агрегатов, увеличения давления и температуры перегрева пара. Так, если в 1950 г. к. п. д. тепловых электростанций в среднем был равен 22,6%, то в 1972 г. он уже составлял 29,5, а к 1980 г. ожидается увеличение его до 44%- Коэффициент полезного действия линии электропередачи также растет в результате повышения уровня напряжения. В среднем сейчас его можно считать равным 94%.
Относительный к. п. д. примерно одинаков при электрической тяге на переменном и постоянном токе. Так, к. п. д. тяговых подстанций постоянного тока равен 92 — 94%, а переменного 96 — 98%, контактной сети соответственно 90 — 92% и 95—97%, а электровозов 89 — 90% и 84 — 87%.
Если к. п. д. электростанций принять равным 30%, то полный к. п. д. электрической тяги на постоянном и переменном токе будет примерно 20%. В перспективе, учитывая значительное повышение к. п. д. электростанций, можно считать, что коэффициент полезного действия электрической тяги будет несколько больше 30% •
Учитывая, что в ряде районов нашей Родины значительная часть электроэнергии вырабатывается на гидростанциях, которые вообще не расходуют топлива и их условный к. п. д. достигает 75—85% (по отношению к потенциальной энергии, запасенной водой), получим к. п. д. электрической тяги, равный 45—55%. Для сравнения отметим, что к. п. д. паровозной тяги составляет всего 5—6%.
205
XI
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
1.	Плавное регулирование напряжения и применение независимого возбуждения
Протяженность железных дорог нашей страны составляет около 137 тыс. км. Ныне в основном завершен переход на прогрессивные виды тяги. Электровозами и тепловозами осуществляется 99,4% всех перевозок. При этом больше 51% перевозок выполнено электровозами, несмотря на то, что протяженность электрифицированных дорог составляет четвертую часть эксплуатационной длины сети. Предусмотренная Директивами XXIV съезда КПСС дальнейшая электрификация железных дорог в текущем пятилетии обеспечит еще больший удельный вес электрической тяги.
В связи с этим трудно переоценить значение дальнейшего совершенствования всех устройств электрической тяги и, в частности, электровозов.
Плавное регулирование. Значительные достижения в области разработки и технологии производства силовых управляемых полупроводниковых вентилей и других электронных приборов, создание новых электротехнических материалов предопределяют широкие возможности совершенствования эксплуатируемых электровозов и разработки новых моделей.
Внедрение тиристорных преобразователей позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям электровозов, вместо ступенчатого, с которым мы ознакомились в главах IV и V. Принцип плавного регулирования заключается в следующем. Если включить в два плеча выпрямительной установки, соединенной по схеме моста (рис. 149, а), управляемые вентили У1 и У2 и менять угол а (фазу) их отпирания путем подачи в соответствующий момент управляющих импульсов напряжения Uyi и t/y2 (рис. 149, б), то можно регулировать напряжение от его нулевого значения до амплитудного. Как видно из рис. 149, б, такой способ регулирования, называемый глубоким, вызывает большую пульсацию выпрямленного тока, что осложняет в сильной степени работу тяговых двигателей.
206
В опытном электровозе ВЛ60ку этот недостаток устранен путем плавного регулирования напряжения секционированной вторичной обмотки трансформатора. Здесь плавное регулирование осуществляется поочередно в пределах напряжения каждой секции. Следовательно, при четырех секциях трансформатора (см. рис. 67) плавное регулирование осуществляется лишь в пределах ’Д полного напряжения. Переключение с одной секции на другую управляемые тиристоры позволяют осуществлять без тока и поэтому отпадает необходимость в контакторах с дугогаше-нием А, Б, В, Г (см. рис. 67).
Пульсации напряжения, возникающие в процессе его плавного изменения в пределах регулируемой секции, складываются с напряжением, индуктируемым в секциях, где уже был завершен этот процесс (рис. 149, в). Поэтому здесь только в первой секции вторичной обмотки трансформатора осуществляется глубокое регулирование.
Независимое возбуждение. В главе III было рассказано о том, как можно регулировать частоту вращения и вращающий момент двигателей постоянного тока, изменяя подводимое напряжение или величину магнитного потока возбуждения.
Изменить магнитный поток возбуждения на первый взгляд очень просто в двигателях с независимым возбуждением: нужно включить реостат в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 12, г). Регулирование тока возбуждения в ши
Рис. 149. Принципиальная схема плавного регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям (а), графики глубокого регулирования напряжения (б) и плавного регулирования с секционированной вторичной обмоткой трансформатора (в)
207
роких пределах позволило бы получить большое число ходовых позиций (автоматических характеристик), например, не пятнадцать, как у электровоза ВЛ23 (см. рис. 46).
До сих пор это было невозможно осуществить в связи с трудностями обеспечения равномерных нагрузок в параллельных цепях двигателей при использовании электромашинного возбудителя и значительных колебаний тока, а следовательно, и силы тяги при ступенчатом регулировании тока возбуждения возбудителя. В настоящее время стало возможным осуществить плавное регулирование тока возбуждения, используя тиристорные преобразователи. Регулирование тока в обмотках возбуждения двигателей с помощью тиристоров и соответствующей автоматической системы управления этим процессом применено для плавного реостатного торможения на электровозах ВЛ80т (см. рис. 73) и на модернизированных электровозах ВЛ60к, особенно эффективно работающих на участках с холмистым профилем в режиме тяги. Ведутся работы по созданию электровозов постоянного тока с независимым возбуждением.
Положительные результаты эксплуатации системы регулирования в режиме реостатного торможения позволили приступить к опытному вождению поездов электровозами ВЛ80т с применением независимого возбуждения в тяговом режиме. Для этого разработаны и проверяются в практических условиях системы автоматического регулирования напряжения и тока возбуждения, обеспечивающие равномерное распределение нагрузок между тяговыми двигателями и независимость тока возбуждения от колебаний напряжения в контактной сети.
Применение независимого возбуждения позволит отказаться от резисторов и индуктивных шунтов для ослабления поля; кроме того, обмотки возбуждения будут нагружены меньшим током, чем якорь.
Такая система возбуждения обеспечивает хорошие противобок-совочные свойства, простоту перехода с тягового режима в режим рекуперации и обратно. Плавность регулирования возбуждения тяговых двигателей позволяет перераспределять силу тяги между колесными парами и тем самым повышает коэффициент сцепления.
2.	Электровозы с бесколлекторными тяговыми двигателями
Непрерывный рост грузооборота железных дорог СССР обусловливает в первую очередь необходимость повышения мощности тяговых двигателей электровозов. При этом рост мощности должен быть осуществлен без существенного увеличения веса тяговых двигателей
208
Рис. 150. Принципиальная схема вентильного двига-теля
с тем, чтобы не превышать допустимых нагрузок от колесных пар на рельсы.
Уменьшение веса тяговых двигателей при максимальном повышении их мощности достигается путем предельного использования механической прочности коллектора, его размеров и высокой напряженности коммутации. Щетки и коллектор, непрерывно касаясь друг друга, в процессе работы сравнительно быстро изнашиваются; на коллекторе могут возникать аварийные режимы в виде электрической дуги и кругового огня. Поэтому вполне понятно стремление создать мощный бескол-лекторный двигатель. Имеются основания полагать, что тиристорные преобразователи позволят это осуществить.
Разработано несколько принципиальных схем бесколлекторных двигателей. Для целей электрической тяги наибольший интерес представляет использование вентильных и асинхронных двигателей.
Рассмотрим принцип работы вентильного двигателя. В его статоре расположена трехфазная обмотка, а в роторе — обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 150). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными друг от друга; фазные обмотки статора соединены в звезду. Начала их подключены к преобразователю — инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямительной установки В, подключенной к вторичной обмотке силового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени будут открыты тиристоры А1 и Х2 инвертора, то ток от выпрямителя В пройдет через тиристор А1, обмотки статора I и II, тиристор Х2, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямительную установку. При указанном стрелками направлении тока в обмотках I и II и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора, взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить непрерывное вращение ротора. Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, где коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. Но в отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель может иметь только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо 14—1773	209
нескольких сотен коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном двигателе стала подвижной, а якорь неподвижным. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами: до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30—32 В. Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляются системой управления, имеющей специальный датчик положения ротора.
Новочеркасским электровозостроительным заводом построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80в с вентильными тяговыми двигателями. Создание электровоза ВЛ80в — крупное достижение отечественной науки и техники. Этот грузовой электровоз наиболее мощный на сети железных дорог. На опытном электровозе применено независимое возбуждение вентильных двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца и щетки. Скорость вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямительной установки регулируется примерно так же, как и в электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток силового трансформатора и несколько повышено их напряжение. Когда к двигателям подводится номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.
На опытном электровозе ВЛ80в применена схема выпрямления и преобразования тока, несколько отличающаяся от изображенной на рис. 150. На рис. 150 показаны отдельные выпрямительная В и инверторная И установки. Такую схему называют схемой с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ80в эти две установки совмещены в общем устройстве.
Кроме вентильного электровоза, создан и проходит испытания электровоз с асинхронными двигателями. Практическое осуществление в условиях электрической тяги системы управления частотой вращения и вращающим моментом (силой тяги) асинхронного двигателя путем регулирования частоты и напряжения, подводимого к обмоткам статора, стало возможным также благодаря освоению полупроводниковой техники.
Напомним, что частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше частоты вращающегося магнитного 210
поля, или так называемой синхронной скорости (частоты) n=60f, где f — частота питающего напряжения, подводимого к обмоткам статора. При промышленной частоте f — 50 Гц синхронная частота составляет 60X50=3000 об/мин. Частота вращения ротора будет меньше на величину s — называемую скольжением. Обычно скольжение составляет 14-3% синхронной частоты. Следовательно, если изме-
Рис. 151. Структурная схема электровоза с асинхронными двигателями.
пять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым изменять синхронную частоту, вместе с ней будет изменяться и частота вращения ротора. Но помимо частоты необходимо регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю, для того чтобы по
лучить тяговую характеристику примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Регулирование напряжения осуществляется, как и на всех
отечественных электровозах переменного тока, переключением вторич
ной обмотки силового трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 151) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование подводимого напряжения к инвертору И.
Открывая и закрывая тиристоры инверторной установки в определенной последовательности, получают трехфазное напряжение, которое подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним, что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющиеся синусоидально. При этом каждая фаза сдвинута относительно другой на 120°, как показано на рис. 152.
Рис. 152. Диаграмма фазных напряже-НИЙ.
14* 211
Причем для наглядности на рис. 152 изменение напряжения каждой фазы показано в отдельных осях. При формировании же трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями переключаемые вентили инвертора И создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения вентилей инвертора.
В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие способности тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют путем переключения цепей управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы.
На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а. Электровоз создан на базе восьмиосного электровоза ВЛ80к. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80к.
3.	Электровозы постоянного тока
с тиристорными преобразователями
Напряжение в контактной сети электрических дорог постоянного тока в нашей стране, как и во многих других за рубежом, равно 3000 В. При таком напряжении дальнейшее увеличение массы и скорости поездов вызывает значительное возрастание тягового тока и потерь энергии. Этого можно избежать, лишь увеличивая сечение контактной сети или сооружая дополнительные тяговые подстанции между существующими или же выполняя то и другое одновременно. Эти мероприятия связаны с большими денежными и материальными затратами. Экономически нецелесообразен и перевод эксплуатируемых железных дорог постоянного тока на переменный ток.
Поэтому наиболее выгодным и приемлемым является повышение напряжения постоянного тока в контактной сети. Но для этого необходимо устранить жесткую (прямую) связь между напряжением контактной сети и напряжением на тяговых двигателях, как сделано в электровозах переменного тока, путем использования трансформаторов. На электровозах постоянного тока устранить такую связь можно только путем применения преобразователей постоянного тока. Широкие возможности для разработки преобразователей открываются благодаря успехам, достигнутым полупроводниковой техникой.
212
В настоящее время разработан и практически применен импульсный преобразователь напряжения постоянного тока. С помощью импульсного преобразователя, состоящего из управляемых вентилей-тиристоров и специальных устройств для их запирания и отпирания, тяговые двигатели периодически подключаются к контактной сети на некоторые промежутки времени и к ним поступает электрическая энергия в виде кратковременных импульсов.
Сущность работы импульсного преобразователя заключается в следующем. С помощью специального устройства, которое называют ключом (на рис. 153 ключ к условно изображен, как рубильник) периодически
Рис. 153. Принципиальная схема импульсного управления тяговым двигателем.
присоединяют тяговый двигатель к контактному проводу и затем отключают. Последовательно с тяговым двигателем включен дроссель
L для сглаживания пульсаций тока, а параллельно двигателю — Неуправляемый вентиль Во, называемый обратным. Замыкание и размыкание ключа к производятся с периодом повторения Т. В течение промежутка времени А/ ключ замкнут, в остальную часть времени Т — М разомкнут (рис. 154, а). Среднее значение напряжения на тяговом двигателе С/д будет зависеть от соотношения между значениями Т и АЛ
Действительно, если Д£ = Т (ключ все время замкнут), то к двигателю подводится полное напряжение контактной сети £/к; при АЛ=О двигатель отключен от контактной сети. В случае какого-либо промежуточного значения А/ напряжение
ил = ик~.
Следовательно, изменяя величину Д/ или Т (или то и другое одновременно), можно обеспечить регулирование напряжения на двигателе. Если сохраняя неизменным А/, изменять период Т, т. е. частоту включений ключа к, то получают так называемую частотно-импульсную систему регулирования (см. рис. 154, а). Оставляя постоянным Т и изменяя интервал А/ (рис. 154, б), получают широтно-импульсную систему регулирования.
Когда ключ к (см. рис. 153) замкнут, электрическая энергия из контактной сети потребляется тяговым двигателем и одновременно запасается в дросселе L. Ток двигателя 1Д в этот период увеличивается. После размыкания ключа ток поддерживается энергией,
213
Рис 154. Диаграммы мгновенных значений напряжений н тока при импульсном управлении тяговым двигателем:
а — частотно-импульсное управление; б — широтно импульсное
запасенной в дросселе. При этом электрическая цепь, состоящая из дросселя и двигателя, замыкается неуправляемым вентилем Во. Так как в этот период в цепь не поступает энергия от внешнего источника, то ток /д убывает. Поэтому ток двигателя 1Д возрастает и убывает, т. е. пульсирует. Определив соответствующим расчетом необходимые частоту импульсов и индуктивность дросселя L, получают приемлемую для работы двигателя форму тока 1Д (см. рис. 154, а и б).
Тбилисский электровозостроительный завод им. В. И. Ленина на базе электровозов ВЛ8 и ВЛ22М построил опытные электровозы постоянного тока на два напряжения 3 и 6 кВ с частотно-импульсным тиристорным управлением.
Управление работой электровоза осуществляется с помощью статического импульсного преобразователя напряжения постоянного тока по схеме (рис. 155), предложенной Московским энергетическим институтом (МЭИ).
Схема МЭИ отличается от изображенной на рис. 153 тем, что содержит управляемый вентиль В, который играет роль ключа к, неуправляемый разделяющий вентиль Вр, конденсатор Ск, дроссель Lo. Кроме того, имеется входной фильтр, составленный из конденсатора Сф и дросселя £ф. Он предназначен для подавления пульсаций тока в контактной сети и тем самым снижения помех в линиях связи, так как ток тягового двигателя пульсирующий (см. рис. 154).
С помощью специальной системы управления на управляющий электрод вентиля В (см. рис. 155) через период Т подаются отпирающие импульсы. Емкость Ск и индуктивность Lo подобраны так, что при отпирании вентиля В, проходящий через него ток возрастает до максимальной величины, а затем снижается до нуля в тот момент, когда конденсатор Ск будет полностью заряжен и на обкладках его напряжение станет равным напряжению контактной сети UK- Вследствие этого тиристор В запирается и остается запертым до тех пор, пока не будет подан вновь отпирающий импульс.
214
Рис. 155. Принципиальная схема преобразователя постоянного тока без явно выраженного звена переменного тока
Электрическая энергия из контактной сети расходуется на питание тягового двигателя ТД, заряд конденсатора Ск, а также запасается в дросселе L. После того как тиристор В будет заперт, конденсатор Ск разряжается через цепь тягового двигателя. По окончании разряда конденсатора ток в тяговом двигателе поддерживается энергией, запасенной в индуктивности L. Цепь этого тока замыкается через вентиль Во. Разделяющий вентиль Вр не позволяет заряжаться конденсатору Ск от дросселя L, когда тяговый двигатель мало нагружен и ток его может упасть до нуля.
В каждой секции опытного электровоза имеется преобразователь, питающий четыре тяговых двигателя, соединенных по два последовательно.
Машинист имеет возможность плавно изменять напряжение на тяговых двигателях без использования пусковых резисторов и пересое-динения тяговых двигателей. Регулирование скорости электровоза сводится к изменению частоты отпирания вентилей преобразователя.
Система управления преобразователем связана с контроллером машиниста. Машинист, перемещая рукоятку контроллера, обеспечивает изменение частоты отпирающих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров преобразователя.
* % *
Развитие отечественного электровозостроения осуществляется в тесной взаимосвязи с технической реконструкцией железнодорожного транспорта.
Непрерывно увеличивающаяся протяженность электрических железных дорог и возрастающие грузопотоки требуют дальнейшего совершенствования конструкций электровозов и прежде всего увеличения их мощности, повышения надежности и экономичности.
Обеспечение электрифицированных магистральных железных дорог новыми, более совершенными и прогрессивными электровозами большой производительности с высокими технико-экономическими показателями еще больше увеличит пропускную и провозную способность электрифицированных железных дорог, ускорит доставку грузов и пассажиров, повысит производительность труда работников железнодорожного транспорта и безопасность движения поездов.
215
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОСТРОЙКИ
Характеристики электровоза серии
Показатели	ВЛ23	ВЛ8	влю	ВЛ60к	ВЛвО*' ВЛ80т	ВЛ 82м
Напряжение контактной сети в кВ	3	3	3	25	25	3/25
К. п. д. электровоза при номинальном режиме в %	89,1	89,1	90,2	84	84	90/86
Конструкционная скорость в км/ч	100	100	100	138	184	192
Сцепной вес в тс (кН)	138 (1380)	180 (1800)	184 (1840)	138 (1380)	184 (1840)	192 (1920)
Нагрузки от колесной пары на рельсы в тс (кН)	23 (230)	22,5 (225)	23 (230)	23 (230)	23 (230)	24 (240)
Число двигателей	6	8	8	6	8	8
Часовой режим						
Мощность на валах тяговых двигателей в кВт	3150	4200	5200	4590	6520	6000
Сила тяги на ободе колес в тс (кН)	26,4 (264)	35,2 (352)	39,2 (392)	31,86 (318,6)	45,1 (451)	42,72 (427,2)
Скорость в км/ч	42,6	46,2	47,3	52	51,6	50,2
Длительный режим						
Мощность на валах тяговых двигателей в кВт	2820	3760	4500	4070	6160	6000
Сила тяги на ободе колес в тс (кН)	22,7 (227)	30,83 (308,3)	32 (320)	26,4 (264)	40,9 (409)	42,92 (429,2)
Скорость в км/ч	44,3	44,3	50	55,6	53,6	59,2
216
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ТАБЛИЦА НЕКОТОРЫХ УСЛОВНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ ОБОЗНАЧЕНИЙ В СХЕМАХ В СООТВЕТСТВИИ С ГОСТами ЕСКД
№ по пор. 1		Наименование	Обозначение	N no nop.	Наименование	Обозначение
1 2 3 4 5 6 7 8	Линии электрической связи, провод, кабель, шина Цепь из двух, трех, четырех линий электрической связи Соединение электрическое разъемное и неразъемное. Общее обозначение. Примечание. Если необходимо подчеркнуть, что электрическое соединение осуществляется разъемными элементами (винтом, зажимом и т. п.), то используют одно из обозначений Заземление Корпус Линии электрической связи, пересекающиеся, электрически несоедииен-ные Линии электрической связи пересекающиеся, электрически соединенные Повреждение изоляции: на корпус		9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	на землю Ток постоянный Ток переменный Ток пульсирующий Полярность отрицательная Полярность положительная Обмотка трехфазная, соединенная в звезду Обмотка трехфазиая, соединенная в треугольник Резистор нерегулируемый Резистор нерегулируемый с отводами Резистор регулируемы! (потенциометр) Конденсатор нерегулируемый Общее обозначение Обмотка добавочных полюсов, обмотка компенсационная	1 ?	1 + ) <1	т
		Одно- Мноео-лиией- линейное ное • О или 0 4 OSmoz Многц-линеи-линейное Wg xttt T#			
217
Продолжение
№ no nop.
Наименование
Обозначение
Наименование
Обозначение
21 Обмотка статора (каждой фазы) машины переменного тока, обмотка последовательного возбуждения машины постоянного тока
б) размыкающий
32 Контакт контактора, пускателя, силового контроллера, блок - контакт электрического аппарата:
22 Обмотка параллельного возбуждения машины постоянного тока, обмотка независимого возбуждения
23 Статор с трехфазной об- ф моткой:	тирпи. u/snu
соединенной в треугольник
33
34
а) замыкающий
б) размыкающий
Выключатель. Общее обозначение
соединенной в звезду
35
Выключатель автоматический.
Общее обозначение
Выключатель высокого напряжения трехполюсный
24 Ротор с обмоткой, коллектором и щетками
25 Обмотка трансформатора, дросселя
26 Сердечник (магнитопровод) ферромагнитный
27 Реактор (в схемах энергоснабжения)
28 Трансформатор однофазный с ферромагнитным сердечником
29 Электромагнит. Общее обозначение
30 Разъединитель
31
Контакт электрического реле:
а) замыкающий
36		Соединение штеНсель-
	ное разъемное	
37		Кнопка с самовозвратом
	и замыкающим контактом	
38		Кнопка с самовозвратом
		и размыкающим контактом
39		Кнопка с защелкой,
	ручным возвратом и замы-	
	кающим контактом	
40		Обмотка реле, контак-
		тора. Общее обозначение или: обмотка реле токовая, последовательная обмотка контактора
41		Токоприемник управляемый (пантограф)
218
Продолжение
'о	о С	В о	Наименование	Обозначение о	Наименование к	с %	%	Обозначение	
42 Промежуток искровой	47 Диод управляемый (ти- защитный		* t		ристор диодный). Общее 43 Разрядник. Общее обо-	.	обозначение значение	щ	48 Лампа накаливания осве- LJ	тительная и сигнальная 44 Предохранитель плав-	.	Допускается при изобра- кий.	П]	жении сигнальных ламп, Общее обозначение	111	секторы зачернять „	49 Батарея из гальваниче- 45 Прибор измерительный:	1	„ „„ „„„„„ н	1	ских или аккумуляторных показывающий	элементов	4 Ф Ф j л	
	1 •	
	1	
И")	50 Электропечь регистрирующий 46 Диод полупроводнике-	1—।	51 Подстанция выпрями- вый. Выпрямитель полу-	тельная, действующая проводниковый, состоящий из одного или нескольких —52 Электростанция дейст-последовательно, паралле-	вующая. Общее обозна- льно или смешанно соеди-	чение ненных диодов		
	1	
список ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
А в а т к о в Е. С., Б ы к о в Ю. Г., К о с о й Ю. М. и др. Мощный магистральный электровоз с асинхронными тяговыми двигателями. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1971, № 6, с. 2—11.
Баранов Б. К., С т р о м и н Б. А., С о к у т Л. Д. Электровоз с бесколлектор-ными вентильными двигателями. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1968, Ns 6. с. 13—15.
Б о в э Е. Г. Магистральный грузовой электровоз двойного питания ВЛ82. «Электрическая и тепловозная тяга», 1967, № 3, с. 17—22.
Быстрицкий X. Я., Дубровский 3. М., Р е б р и к Б. Н. Устройство и работа электровозов переменного тока. Изд. 3-е, перераб. и доп. Учебник для техн, школ машинистов и помощников машинистов электровозов. М., «Транспорт», 1973, 464 с.
Голованов В. А., Родионов Н. И., Петров В. Н. и др. Электровоз с плавным регулированием напряжения и бестоковой коммутацией контакторов ЭКГ. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1971, № 3, с. 23—26.
Е л к н н С. Н., Янов В. П., Чернявский С. Н. Электровозостроение в СССР. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1973, Ns 11, с. 4—7.
З.орохович А. Е., Крылов С. К. Основы электротехники для локомотивных бригад. Изд. 6-е, перераб. и доп. Учебник для техн, школ машинистов локомотивов. М., «Транспорт», 1973, 448 с.
Зорохович А. Е., Крылов С. К, Крылов С. С. Основы электроники для локомотивных бригад. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Транспорт», 1972, 240 с.
Калинин В. К., Михайлов Н. М., Хлебников В. Н. Элрктроподвиж-ной состав железных дорог. Изд. 3-е, перераб. и доп. Учебник для техникумов ж.-д. транспорта. М., «Транспорт», 1972, 536 с.
Каминский Е. А. Техника чтения схем электроустановок. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1972, 120 с.
Кучумов В. А.’ Сенаторов В. А. Опытный электровоз ВЛ80в с вентильными тяговыми двигателями. Результаты тягово-энергетических испытаний. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1972, № 8, с. 14—16.
Мелихов В. Л. Электрические схемы электровоза ВЛ80к. М., «Транспорт», 1971. 88 с.
Никифоров Б. Д. Совершенствование локомотивов, усиление локомотивного хозяйства. — В кн.: Железнодорожный транспорт в девятой пятилетке. М., «Транспорт», 1972, с. 24—45.
Розенфельд В. Е, Шевченко В. В„ Майбога В. А. и др. Система электрической тяги постоянного тока высокого напряжения с тиристорными преобразователями напряжения иа подвижном составе. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1968, Ns 3, с. 4—6.
220
Сердинов С. М. Возможности н перспективы электрификации транспорта. — В кн.: Железнодорожный транспорт в девятой пятилетке. М., «Транспорт», 1972. с. 90—105.
Сидоров Н. И., Прудыус А. С. Как устроен и работает электровоз. М., Трансжелдориздат, 1959, 240 с.
Сидоров Н. И., Прудыус А. С. Как устроен н работает электровоз. Изд. 2-е, перераб. н доп. М., «Транспорт», 1964. 236 с.
Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока. Под общ. ред. В. Е. Розенфельда. М., «Транспорт», 1970, 240 с. Авт.: В. Е. Розенфельд, В. В. Шевченко, В. А. Майбога, Г. П. Долаберидзе.
Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрических железных дорог. Теория работы электрооборудования, электрические схемы н аппараты. Изд. 3-е, перераб. и доп. Учебник для студентов вузов ж.-д. транспорта. М., «Транспорт», 1969. 408 с.
Тнхменев Б. Н., Кучумов В. А., Новиков В. Е. Вентильные тяговые двигатели н перспектива их применения на электроподвижном составе переменного тока. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1967, № 3, с. 33—36.
Тихменев Б. Н. Пути совершенствования электроподвижного состава. — «Электрическая и тепловозная тяга». 1971, № 3, с. 10—13.
Тихменев Б. Н. Перспективы развития электровозов. — «Железнодорожный транспорт», 1971, № 10, с. 5—12.
Токоприемники электроподвижного состава. Под общ. ред. И. А. Беляева. М., «Транспорт», 1970. 192 с. Авт.: И. А. Беляев, В. Г. Бердзенишвили, В. П. Михеев, В. А. Шяян.
Тулупов В. Д., Попов В. И., Свердлов В. Я. и др. Автоматический реостатный тормоз электровозов ВЛ80т. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1971, № 4, стр. 21—26.
Фуфрянский Н. А. Основные направления развития электрической и дизельной тягя. — «Электрическая и тепловозная тяга», 1970, № 10, с. 1—5.
Чернявский С. Н., Рявнн И. М. Устройство н работа электровозов постоянного тока. Учебник для техн, школ машинистов локомотивов. М., «Транспорт», 1971. 360 с.
Электрические железные дороги. Изд. 2-е, перераб. Под общ. ред. В. Е. Розенфельда. Учеб, пособие для вузов ж.-д. транспорта. М., Трансжелдориздат, 1957. 432 с. Авт.: В. Е. Розенфельд, Н. Н. Сидоров, С. Е. Кузин, И. И. Власов.
Электровоз ВЛ80к. Руководство по эксплуатации. М., «Транспорт», 1970, 448 с. (Новочеркасский электровозостроительный з-д).
Электровоз ВЛ8. Руководство по эксплуатации. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Транспорт», 1971. 312 с. (Тбилисский электровозостроительный з-д нм. В. И. Ленина).
Яковлев Д. В., Сидоров Н. И. Устройство, ремонт н эксплуатация электровозов переменного тока. Учебник для учащихся проф. техн, училищ ж.-д. транспорта, М., «Высшая школа», 1972. 368 с.
Яковлев Д. В. Управление электровозом и его обслуживание. Изд, 2-е, доп. и перераб. Учебник для технических школ машинистов локомотивов. М., «Транспорт», 1972. 344 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к третьему изданию .
3
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
I ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
1.	Первое знакомство с электровозом .........................5
2.	Переменный или постоянный ток? .	.	.	.	7
3.	Электроснабжение электрифицированных железных дорог . И
4.	Немного из теории движения поезда........................13
5.	Из истории электрификации железных дорог нашей Родины 17
II
УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В СХЕМАХ, ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ И ЧТЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
1. Условные графические обозначения в схемах
2. Электрические схемы	.	.	.	.
22
24
]П | ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 1	। ДВИГАТЕЛИ
1.	Какому двигателю отдать предпочтение?	....	30
2.	Устройство якоря. Щетки и щеткодержатели ...	36
3.	Коммутация, реакция якоря и роль дополнительных полюсов ......................................................42
4.	Магнитная система. Изоляция тяговых двигателей .	.	45
5.	Мощность тягового двигателя ...............................49
6.	Особенности двигателей пульсирующего тока ...	53
IV
АППАРАТЫ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОИ ЦЕПИ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.	Токоприемники	..................................55
2.	Разъединители и быстродействующие выключатели .	57
3.	Пуск тяговых двигателей. Назначение резисторов и индивидуальных контакторов..........................................62
222
4.	Регулирование скорости. Групповые переключатели	.	.	66
5.	Ослабление поля. Индуктивные	шунты...........72
6.	Реверсоры...........................................73
7.	Принципиальная силовая схема	.......	75
8.	Электрическое торможение	...................81
I АППАРАТЫ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
У СХЕМА СИЛОВОИ ЦЕПИ
| ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1.	Токоприемники и разъединители.........................87
2.	Главный выключатель ......................................88
3.	Регулирование скорости. Силовые	трансформаторы	.	.	90
4.	Главный контроллер .......................................94
5.	Полупроводниковые вентили.............................95
6.	Вентильные преобразователи и схемы	их	включения	.	.	98
7.	Принципиальная силовая схема.........................102
8.	Электровозы с регулированием на стороне высшего напряжения ......................................................105
9.	Электровозы двойного питания	..................106
10.	Электрическое торможение электровоза переменного тока 108
VI I ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ ’* । ЭЛЕКТРОВОЗОВ
1.	Компрессоры и пневматическая цепь	управления	.	.	.	111
2.	Охлаждение машин и аппаратов........................114
3.	Генераторы управления...............................117
4.	Привод вспомогательных машин........................118
5.	Вспомогательные цепи и их электрические	схемы	.	.	.	121
VII	УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗАМИ И ЗАЩИТА ИХ ОТ НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
1.	Непосредственное и косвенное управление. Контроллеры машиниста....................................................125
2.	Электрические блок-контакты (блокировки) ....	129
3.	Схема цепи управления электровоза постоянного тока .	.	131
4.	Схема цепи управления электровоза переменного тока .	.	137
5.	Управление вспомогательными цепями ....	141
6.	Управление электровозами по системе многих единиц .	.	145
7.	Защита оборудования электровозов от коротких замыканий и перегрузок.................................................147
8.	Защита от перенапряжений и радиопомех ....	151
9.	Защита от боксования......................................153
10.	Коротко о других защитах ....	.	.	157
VIII
МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
1.	Осевые формулы электровозов................................158
2.	Рамы тележек...............................................162
3.	Кузова электровозов и их опоры............................ 164
223
4.	Рессорное подвешивание ...............................168
5.	Колесные пары, буксы и подшипники.....................170
6.	Тяговые передачи и подвешивание тяговых двигателей .	172
7.	Расположение оборудования на электровозах .	.	.	176
IY ] ЭКСПЛУАТАЦИЯ, СОДЕРЖАНИЕ 1л | и РЕМОНТ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
1. Способы обслуживания поездов локомотивами .	.	.	182
2. Экипировка, организация технического содержания и ремонта электровозов .......................................... 184
X
ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ, КОНТАКТНАЯ СЕТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
1.	Тяговые подстанции .....................................188
2.	Контактная сеть .......................................191
3.	Блуждающие токи. Мешающее действие тягового тока на линии связи................................................201
4.	Коэффициент полезного действия электрической тяги .	.	204
V[ I СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
Л1 I ЭЛЕКТРОВОЗОВ
1.	Плавное регулирование напряжения и применение независимого возбуждения.......................................206
2.	Электровозы с бесколлекторными тяговыми	двигателями	.	208
3.	Электровозы постоянного тока с тиристорными преобразователями ..................................................212
Приложение 1	 216
Приложение 2	 217
Список использованной н рекомендуемой литературы	.	.	.	220
НИКОЛАИ ИВАНОВИЧ СИДОРОВ
КАК УСТРОЕН И РАБОТАЕТ ЭЛЕКТРОВОЗ
Редактор И. К- Петушкова
Обложка художника Г. П. Казаковцева Технический редактор Н. Д. Муравьева Корректор Р. А. Юдина
Сдано в набор 11/III 1974 г. Подписано к печати 5/XI 1974 г. Бумага 70Х84'/и, типографская № 1. Печатных листов 14 (условных 15.26) Учетно-нзд. листов 14,51. Тираж 15 000. Т17728. Изд. № 1-5-3/5 № 6795. Зак. тип. 1773. Цена 84 коп.
Изд-во «Транспорт», Москва, Басманный туп., 6а
Тип. изд-ва «Волжская коммуна», г. Куйбышев, пр. Карла Маркса, 201.