НИ. СИДОРОВ НН. СИДОРОВА
К4К УСТРОЕН И В4БОИЕГ ЭЛЕКТРОВОЗ
•ТРАНСПОРТ*
ЭЛЕКТРОВОЗ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1	— индуктивные шунты;
2	— пусковые резисторы;
3	— мотор-вентилятор;
4	— форкамера;
5	— жалюзи;
6	— вилитовый разрядник;
7	— вспомогательный компрессор;
8	— мотор-компрессор;
9	— тяговые двигатели;
10	— блок аппаратов;
11	—быстродействующий выключатель;
12	— кетушка приемная локомотивной сигнализации автоматической (АЛСН)
и
Н. И. СИДОРОВ
И ИСИДОРОВА
К4К УСТРОЕН И В4БОИЕГ ЭЛЕКТРОВОЗ
ИЗДАНИЕ ПЯТОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА "ТРАНСПОРТ" 1988
scan: The Stainless Steel Cat
ББК 39. 232
С 34
УДК 629.423.1
Рецензент канд. техн, наук С. И. Осипов
Редактор И. К. Петушкова
Сидоров Н. И., Сидорова Н. Н.
С 34 Как устроен и работает электровоз.— 5-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1988.— 223 с., ил., прилож.
ISBN 5-277-00191-3
В книге в доступной для читателя форме описаны устройство и работа электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Советского Союза. Даны основные понятия о схемах электрических цепей электровозов, принципах их чтения. Приведены краткие сведения об организации эксплуатации электровозов, об устройстве тяговых подстанций и контактной сети.
В пятом издании в отлнчие от предыдущего, вышедшего в 1980 г., рассмотрены электровозы новых серий, а также электронное .оборудование, устанавливаемое иа электроподвижном составе.
Книга рассчитана на широкий круг читателей-железнодорожников, она может быть также полезна учащимся профтехучилищ и ученикам старших классов средней школы.
г 3602030000-185
С O49(oT)-SS 30-88
ББК 39.232
ISBN 5-277-00191-3
© Издательство «Транспорт», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электровоз представляет собой локомотив с электрическими тяговыми двигателями, получающий питание (электрическую энергию) через токосъемник от контактной сети.
На железных дорогах нашей страны большинство всех грузовых перевозок и значительная часть пассажирских осуществляется электровозами. Это объясняется тем, что электрическая тяга обеспечивает наиболее высокую пропускную и провозную способность железнодорожных участков и, более того, является единственно возможной на самых тяжелых участках железных дорог, в частности на Байкало-Амурской магистрали. На этой магистрали, играющей важную роль в ускорении развития производительных сил восточных районов страны и освоении их природных богатств, из-за сурового климата, многокилометровых тоннелей и наличия участков с очень тяжелым профилем практически очень сложно использовать тепловозы.
Развитие народного хозяйства страны предопределяет постоянный рост объема перевозок на железнодорожном транспорте. На многих полигонах сети интенсивность грузового и пассажирского движения очень высока, поэтому главным резервом увеличения пропускной способности грузонапряженных участков является увеличение массы поездов. Масса поездов на электрифицированных участках железных дорог повышалась по мере роста мощности электровозов, совершенствования их
3
конструкции. Если средняя масса поезда по сети железных дорог в 1940 г. равнялась 1367 т, в 1955 г.— 2070 т, то в 1985 г. она составила 3033 т. К 1990 г. предусматривается повышение средней массы поезда не менее чем на 500 т. Чтобы добиться этого, необходимо, в частности, создать новые, более мощные электровозы.
Электровозы имеют различное электрооборудование в зависимости от системы электрической тяги (от рода тока — постоянного или переменного), от системы регулирования тяговых электродвигателей, их числа и единичной мощности, от наличия и вида электрического торможения и т. д. Некоторые особые требования, предъявляемые к электровозу, определяются спецификой его назначения — грузовой, пассажирский, маневровый. Все эти различия в устройстве электровозов, а также постоянное обновление парка электропо-движного состава, по мере накопления опыта электрификации и развития соответствующих отраслей промышленности обусловили большое количество серий электровозов. Электровоз представляет собой очень сложную машину. Каждый из его узлов и аппаратов (для того чтобы перечислить их, потребуется несколько страниц) имеет определенное назначение. Согласованная работа этих узлов и аппаратов обеспечивается машинистом с помощью специального устройства управления.
Написано немало учебников об устройстве и работе электровозов, книг
по электровозам отдельных серий, по специальным вопросам, например электрооборудованию или механической части. Но все это — литература для специалистов, предполагающая предварительную теоретическую и практическую подготовку читателей.
В предлагаемой книге сделана попытка объяснить в доступной форме основные принципы устройства и работы электровозов читателю, не имеющему специальной подготовки. Поэтому изложение ведется в последовательности от сравнительно простых узлов к более сложным. Поясняется физический смысл различных явлений и процессов. Принципиальные схемы аппаратов и цепей электровоза, его механическая и пневматическая системы рассматриваются во многих примерах упрощенными, что позволяет лучше понять основные принципы их действия.
Электровозы постоянного и переменного тока рассматриваются в книге параллельно. При этом установленные как на тех, так и на других аппараты, близкие по конструкции и принципу действия, а также унифицированное оборудование, рассматриваются применительно к электровозу одного рода тока и, если это необходимо, поясняются особенности аналогичного аппарата на электровозе другого рода тока.
Работа электровоза невозможна без внешнего источника питания — системы электроснабжения электрифицированных железных дорог, включающей в себя тяговые подстанции, контактную и рельсовую сети. Описание их устройства и работы даны в объеме, необходимом для понимания назначения и принципа их действия. В книге также очень
кратко рассмотрены электропоезда, по устройству близкие к электровозам.
Предыдущее издание книги вышло в 1980 г. За это время на железных дорогах появились более совершенные электровозы, оснащенные новой техникой. В связи с этим возникла необходимость более подробно рассмотреть, например, систему рекуперативного торможения на электровозах переменного тока, выпускаемых серийно с 1980 г. Большее внимание уделено полупроводниковым устройствам, применяемым на электроподвижном составе. С учетом происшедшей смены поколений локомотивов даны новые примеры выполнения различных узлов, аппаратов и другого оборудование электровозов.
Изложение ведется с использованием Международной системы единиц (СИ). Наряду с ними используются и внесистемные единицы, например, массы — тонна (т), скорости — километры в час (км/ч). Следует упомянуть, что в утвержденных Министерством путей сообщения в 1980 г. Правилах тяговых расчетов для поездной работы применяется единица килограмм-сила (кгс) вместо ньютона (по согласованию с Госстандартом СССР). Поэтому в книге используются одновременно обе размерности силы.
Приведен словарь основных понятий и терминов, используемых в книге (приложение 1).
Как и в предыдущих изданиях, уровень изложения материала рассчитан на читателей, знакомых с основными законами и понятиями физики и электротехники, а также с принципами действия коллекторных машин постоянного тока и асинхронных трехфазных двигателей.
Н. Н. СИДОРОВА
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1 ОБ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОВОЗОМ
Электровозом называют локомотив, приводимый в движение электрическими двигателями, которые получают электрическую энергию через токоприемник от контактной сети. В контактную сеть электроэнергия поступает от тяговой подстанции. В зависимости от рода используемого тока различают электровозы постоянного тока и электровозы переменного тока. Есть также электровозы двойного питания постоянным и переменным током. В редких случаях электровоз получает электроэнергию от аккумуляторов (так называемые контактно-аккумуляторные электровозы), установленных на нем же. Электровозы имеют сложное механическое, электрическое и пневматическое оборудование.
К механической части электровоза относятся кузов и тележки. Тележка включает в себя раму, колесные пары с буксами, подвески тяговых двигателей, тяговые передачи, рессорное подвешивание, рычажио-тормозные передачи. Кузов электровоза специальными опорами (рис. 1), а иногда и рессорами опирается на тележки. Отечественные электровозы имеют две, четыре или шесть тележек. При двух тележках в каждой из них устанавливают три колесные пары (шестиосные электровозы) , при четырех и шести тележках — две колесные пары (соответственно восьмиосные и двенадцатиосные электровозы). Рессорами и буксами с подшипниками рамы тележек связаны с ко
лесными парами. Благодаря рессорам уменьшается воздействие электровозов на путь, меньше изнашивается оборудование электровоза, так как снижается сила ударов, воспринимаемых им при прохождении стыков и неровностей пути.
Колесные пары электровозов приводятся во вращение двигателями, называемыми тяговыми. Валы двигателей соединяют с осями колесных пар зубчатыми передачами — редукторами. Колесные пары, приводимые во вращение тяговыми двигателями, называют движущими.
Широкое применение получил индивидуальный тяговый привод, при котором каждая колесная пара приводится во вращение своим тяговым двигателем. Такой привод осуществлен на всех электровозах, эксплуатируемых в СССР.
Один тяговый двигатель с помощью специального редуктора может приводить во вращение, например, две колесные пары — это так называемый групповой привод, или монопривод. В Советском Союзе был построен опытный электровоз с моноприводом. Однако его характеристики (как технические, так и экономические) оказались хуже, чем у электровозов с индивидуальным приводом. Поэтому производство таких электровозов было признано нецелесообразным.
Электрическая часть электровозов, кроме тяговых двигателей, содержит множество различных аппаратов, предназначенных для пуска тяговых двига-
5
Рис. 1. Схематическое устройство электровоза
телей, изменения скорости и направления движения локомотива, электрического торможения, защиты оборудования от перегрузок, перенапряжений и токов короткого замыкания. Конструкция этих аппаратов зависит от рода используемого тока, но, как и тяговые двигатели, они находятся под высоким напряжением1. Управляют ими обычно дистанционно (на расстоянии) — из кабины машиниста. Это система косвенного управления. Она применена на всех отечественных магистральных электровозах.
В качестве источника тока низкого напр яжения при системе косвенного управления используют генераторы управления или полупроводниковые преобразователи. От них, кроме низковольтных аппаратов (т. е. аппаратов низкого напряжения), получают энер
1 В соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей, разработанными Министерством энергетики и электрификации СССР, по условиям электробезопасности различают электроустановки напряжением до 1000 В включительно и свыше 1000 В. Однако для краткости изложения будем пользоваться терминами «высокое напряжение» (в силовых цепях н цепях вспомогательных машин) и «низкое напряжение» (в цепях управления, сигнализации, освещения и т. д.).	!
гию приборы освещения и заряжается аккумуляторная батарея.
Для управления многими аппаратами используется сжатый воздух. Его получают с помощью компрессоров. Чтобы привести в действие пневматические (воздушные) тормоза локомотива и состава, т. е. чтобы управлять ими, также используют воздух, сжимаемый компрессорами.
Тяговые двигатели, часть электрических машин и аппаратов, выделяющих при работе значительное количество тепла, охлаждают потоками воздуха, создаваемыми вентиляторами. Мощные трансформаторы на электровозах переменного тока охлаждают маслом, циркуляция которого обеспечивается центробежными насосами.
Вентиляторы, компрессоры и насосы (вспомогательные механизмы) приводятся в действие отдельными электрическими двигателями (моторами). Агрегат, состоящий из вспомогательного механизма и мотора, представляет собой вспомогательную машину и его принято называть соответственно мотор-вентилятором, мотор-компрессором, мо-тор-насосом. К вспомогательным машинам относятся и генераторы тока управления, которые обычно отдельных дви
6
гателей не имеют; их устанавливают на одном валу с каким-либо вспомогательным двигателем (например, с двигателем вентилятора).
Известно, что электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать в качестве как двигателей, так и генераторов. На многих электровозах при движении по спуску, а в некоторых случаях и перед остановками тяговые двигатели переключают для работы в качестве генераторов. При этом кинетическая энергия и потенциальная, запасенная в поезде, преобразуются в электрическую и передаются в контактную сеть. Этот процесс называется рекуперацией электрической энергии. Рекуперация используется для электрического торможения поезда. На части электровозов электрическая энергия, вырабатываемая в генераторном режиме, поглощается в резисторах, превращаясь в тепловую. Такой способ электрического торможения называют реостатным. Чтобы осуществить рекуперацию, на электровозах постоянного тока устанавливают специальные мотор-генераторы для возбуждения тяговых двигателей, без которых они не могут устойчиво работать как генераторы.
Электрическое оборудование электровозов, работающее под высоким напряжением, объединено в две электрические высоковольтные цепи — силовую цепь, включающую в себя тяговые двигатели, пусковую и регулирующую аппаратуру, и цепь вспомогательных машин со своей аппаратурой. Низковольтные электрические аппараты, с помощью которых управляют аппаратами силовой и вспомогательных цепей, объединены в 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 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.
ПЕРЕМЕННЫЙ ИЛИ ПОСТОЯННЫЙ ТОК?
Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного 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 равной 50 Гц.
Вполне естественно, что для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Такие двигатели, созданные русским ученым М. О. Доливо-Добро-вольским, быстро завоевали всеобщее признание и получили широкое распространение в промышленности.
Но применить трехфазные двигатели на электрическом подвижном составе оказалось делом трудным. В этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Контактная сеть будет иметь очень сложное устройство, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть
7
напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода в этом случае необходимо располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии, но широкого распространения она 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 рубежом в первый период введения электрической тяги все же устанавливали на электровозах однофазные двигатели, но питали их переменным током пониженной частоты (162/3 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.
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 осуществлялась. Требованиям, связанным с условиями работы электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритных размерах развивают необходимую мощность. В СССР, как и во многих других странах, долгое время электрифицировали железные дороги по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. С 1967 г. в Советском Союзе все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. Попутно отметим, что на посто
янном токе, но более низкого напряжения работает также городской электрический транспорт — трамваи, троллейбусы и метрополитены.
Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называют электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, на которых они работают,— электрифицированными железными дорогами постоянного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока. Свыше 50% всех электрифицированных дорог на земном шаре электрифицировано по этой системе. Из 50 тыс. км электрифицированных железных дорог нашей страны более 27 тыс. км работает на постоянном токе.
Перевозки грузов и пассажиров железными дорогами непрерывно растут. В двенадцатой пятилетке грузооборот железных дорог (т. е. масса грузов в тоннах, перевезенных за год, умноженная на расстояние их перемещения в километрах) должен возрасти на 8—10%, а объем перевозок пассажиров — на 7—9%. Освоить такой объем перевозок будет возможно лишь при техническом перевооружении железнодорожного транспорта, а также постоянном совершенствовании организации перевозок. Одним из средств, помогающих освоить быстро растущий объем перевозок, является увеличение массы поездов. Так, средняя масса поезда в 1940 г. была равна 1367 т, а в 1985 г. составила 3033 т, т. е. возросла более чем в 2 раза.
Повышение массы поездов достигается благодаря использованию более мощных локомотивов. Так, мощность электровоза ВЛ19 — первенца нашего электровозостроения — составляла 2040 кВт, а мощность серийно выпускаемых современных электровозов превышает 8000 кВт (приложение 2), г. е. больше в 4 раза. Мощность электрово-
8
зов повышают, увеличивая как число осей, а соответственно и число тяговых двигателей, приводящих их в движение, (с шести до восьми и двенадцати), так и мощность двигателей (с 250— 400 кВт до 850—1050 кВт).
С повышением мощности электровозов растет потребляемый ими ток, а следовательно, падение напряжения и потери электрической энергии в контактной сети, если неизменны площадь сечения ее проводов и напряжение в контактном проводе. Чтобы уменьшить потери энергии, увеличивают площадь сечения проводов, но это вызывает большой расход дефицитного цветного металла. Лучше было бы, конечно, повысить напряжение, но при той же мощности локомотива тяговые двигатели и тяговая аппаратура будут гораздо сложнее и дороже, а надежность их работы снизится.
Поэтому вновь начали изучать возможности использования переменного тока для электрической тяги. Известно, что переменный ток обладает замечательным свойством: его можно трансформировать, т. 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 и аппаратов.
А что если на самом локомотиве преобразовывать переменный ток, передаваемый по контактной сети, в постоянный? Тогда к контактным проводам можно будет подводить высокое напряжение, на электровозе понижать его и, преобразуя переменный ток в постоянный, питать им тяговые двигатели. Осуществить это оказалось возможным после освоения нашей промышленностью производства надежно действующих ртутных выпрямительных установок.
9
Электровозы с ртутными выпрямителями работали довольно долго, но они обладали многими недостатками, в частности низкой надежностью и плохими массогабаритными показателями, создавали ряд эксплуатационных неудобств.
Освоение массового производства кремниевых выпрямителей, значительное снижение их стоимости привели к тому, что на современных электровозах применяются исключительно полупроводниковые преобразовательные, установки. Кремниевые вентили при значительной мощности имеют небольшую массу, малые размеры, высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.), устойчиво работают в широком диапазоне температур.
Для питания электровозов переменного тока применяют однофазный ток промышленной частоты при напряжении в контактном проводе 25 кВ. Железные дороги, где эксплуатируются такие электровозы, называют электрифицированными железными дорогами переменного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе переменного тока промышленной частоты. Применение системы переменного тока промышленной частоты позволило создать мощные электрические локомотивы. Протяженность дорог переменного тока в нашей стране превышает 22 тыс. км.
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем. Энергосистема — это совокупность крупных электрических станций, объединенных линиями электропередачи и совместно пита-
Повышающий высоковольт-трансцзорматор ный Выключатель
Электростанция
Отсасывающая линия
Питающая линия
Тяговая подстанция
Пиния электропередачи
блок быстродействующих Я выключателей и разъединителей
Рис. 2. Общий вид участка электрифицированной железной дороги постоянного тока и питающих ее устройств
Разрядник
Высоковольтный выключатель
Тяговый трансформатор
Выпрямитель
10
ющих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые, где используются разнообразные виды органического топлива, гидравлические и атомные.
Следует отметить, что нагрузки электрической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует более стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические магистрали европейской части страны, Урала, Сибири. Питание от мощных энергосистем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребителей, в том числе и электрического подвижного состава.
На рис. 2 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.
Трехфазный переменный ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю проходит к повышающему трансформатору, здесь в зависимости от различных условий напряжение может быть повышено до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими в СССР стандартами.
Затем ток по линии электропередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в данном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на линии электропередачи или возникнут недопустимые перегрузки, высоковольтный выключатель отключит ее от электрической станции. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.
Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напря
11
жение переменного трехфазного тока до значения, необходимогб для нормальной работы электроподвижного состава (э. п. с.).
Устройство и работа тяговых подстанций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.
На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, переменный ток преобразуется в постоянный. Первоначально для этой цели использовали вращающиеся преобразователи, которые состояли из мощных двигателей переменного тока, установленных на одном валу с генераторами постоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразователей стали применять ртутные выпрямители. В дальнейшем все ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми.
Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичной обмотки трансформатора проходит через выпрямитель, быстродействующий выключатель, фидер, контактную сеть, пускорегулирующие аппараты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.
Быстродействующий выключатель автоматически отключает фидер, а следовательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства каких-либо работ, для чего также отключают быстродействующий выключатель.
Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для понижения напряжения, подводимого от ЛЭП, 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 напряжения, подводимого ЛЭП, и распределения электрической энергии по участкам контактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется присоединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположенного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осуществляется на самом подвижном составе.
Коэффициент полезного действия электрической тяги выражается произведением к. п. д. отдельных звеньев системы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, линии электропередачи, тяговой подстанции, контактной сети и самого электровоза. Если энергия поступает от тепловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. электрической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные дороги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлектростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.
НЕМНОГО ИЗ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории.
Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при движении,— это сила тяги F, сопротивление движению W и тормозная сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой сопротивления движению управлять нельзя.
Как же образуются эти силы, от чего они зависят?
Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня) насажено на вал тягового двигателя, а большое — на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого называют передаточным отношением I. Если пустить в ход тяговый 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 коэффициента полезного действия зубчатой передачи) .
Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал двигаться.
Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска тяговых двигателей они бы просто вращались, оставаясь на одном и том же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с рельсами при передаче на оси колесных пар вращаю
12
щих моментов М, между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.
Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов — паровозов вообще сомневались в возможности движения их по «гладкому» рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.
Момент М (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару cwiFK-FK' с плечом /?. Сила FK направлена против движения. Она стремится переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону, противоположную направлению движения. Этому препятствует возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fcll. Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе FK, т. е. Fcil— FK. Эта сила и заставляет колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.
В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из которых принадлежит бандажу Лб, а другая — рельсу Лр. У электровоза, стоящего неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе передачи колесу вращающего момента точка Лб сместится относительно точки Лр, то в следующее мгновение с точкой Лр начнут поочередно соприкасаться точки бандажа Б6, Вб и т. д. При этом локомотив не приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко уменьшается, колесо теряет упор и начинает
Рис. 3. Схемы, поясняющие образование силы тяги (а) и тормозной силы (б)
проскальзывать относительно рельса — боксовать.
В случае когда точки Лр и Лб не имеют относительного смещения, в каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Бб с Бр, Вб с Вр и т. д.
Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного движения локомотива.
Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления в точке касания колеса и рельса Feu, равная, но противоположная по направлению силе FK, не превышала некоторого предельного значения. До тех пор, пока оиа его не достигла, сила Fcu создает реактивный момент FcaR, который по условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту. М= FcaR.
Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза определяет общую силу, называемую касательной силой тяги FK. Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит боксование.
13
Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и колес имеются неровности. Так как площадь соприкосновения (контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.
Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия — нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.
Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот коэффициент, определяют силу тяги.
Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.
Чем же определяется значение коэффициента сцепления? Прежде всего он зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Влияние состояния поверхности рельсов на коэффициент сцепления можно проиллюстрировать следующим примером. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. 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 после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.
Коэффициент сцепления зависит также он конструкции электровоза — устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых двигателей, их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Как влияют эти причины на реализацию силы тяги, будет рассказано далее в соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала несколько увеличивается, затем падает. Как известно, значение его изменяется в широких пределах — от 0,06 до 0,5. Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин, для определения максимальной силы тяги, которую может развивать электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления фк. Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом достижений передовых машинистов.
При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, коэффициент фк у электровозов постоянного тока и двой-
14
лого питания составляет 0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов переменного тока. Так, для электровоза двойного питания ВЛ82М, сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги FK с учетом расчетного коэффициента
FK=P^K= 1960 -0,34= 666 кН (68 тс).
Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги FK составит 392 кН (40 тс). При подаче песка этот коэффициент фк может возрасти до прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70—75%. Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.
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, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках совпадает с направлением движения.
Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути, кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.
Рис. 4. Силы, действующие на поезд в режиме тяги
Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным на основании результатов многих исследований и испытаний в различных условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление воздушной среды.
Учитывая основное сопротивление движению локомотива W, кроме касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fa (рис. 4): F„= FK— W'. При условии равномерного движения F„= W", где W" — сопротивление движению состава1.
В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза, создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие трения тормозных колодок о бандажи колес (механическоеторможение) или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В результате прижатия тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3, б) на нем возникает сила трения Т=фк/С, где фк — коэффициент
1 Сформированные и сцепленные вагоны называют составом. Состав же с одним или несколькими действующими локомотивами, имеющими установленные сигналы, называют поездом.
15
Рис. 5. Кривая изменения скорости при движении поезда на перегоне
трения. Благодаря этому образуется сила сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.
Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями, что и силы тяги FK. Чтобы избежать юза (скольжение без вращения колес по рельсам) при торможении, должно быть выполнено условие
Т— Bmax ИЛИ фкК< ‘фкР-
Коэффициент трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.
В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима движения поезда: тяга (движение под током), выбег (без тока), торможение.
В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд действуют сила тяги FK и сопротивление движению поезда W. Характер изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой ОА (рис. 5) опреде
16
ляется разностью сил FK и W, называемой ускоряющей силой тяги. Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда. Сопротивление движению, как уже было отмечено,— величина переменная, зависящая от скорости. С увеличением скорости оно возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой точки О' сила тяги уменьшается. Затем наступает такой момент, когда FK= W и поезд под током двигается с постоянной скоростью (участок кривой АБ).
Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на выбеге (участок БВ) за счет кинетической энергии поезда. При этом на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При включении машинистом тормозов (от точки В до точки Г) на поезд действуют две силы — сопротивление движению W и тормозная сила В. Скорость поезда снижается. Сумма сил В и W представляет собой замедляющую силу. Возможен и такой случай движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.
ЭТАПЫ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
В 1921 г. Советское правительство утвердило важный документ — план ГОЭЛРО (государственный план электрификации России). Этим планом для установления наиболее рациональной связи между главными промышленными районами РСФСР признавалось необходимым превратить в сверхмагистрали с последующей электрификацией их же
лезнодорожные линии Петроград — Москва — Курск — Донецкий бассейн — Мариуполь (через Харьков или Купянск), Кривой Рог — Александровск — Чаплино — Дебальцево — Лиски — Царицын и Москва — Нижний Новгород с продолжением в будущем их на Урал и в Сибирь.
6 июля 1926 г. торжественно было открыто движение электропоездов на первом в СССР электрифицированном железнодорожном участке Баку — Са-бунчи — Сураханы, который соединил город с нефтяными промыслами. Протяженность участка составила 20 км; он был электрифицирован по системе постоянного тока напряжением 1200 В. Вместе с тружениками Азербайджана это событие отмечала вся страна. Строителей электрифицированного участка приветствовали С. М. Киров, Г. К- Орджоникидзе и Г. М. Кржижановский.
Спустя три года, 26 августа 1929 г., первая электричка от Москвы до Мытищ отправилась в путь.
Планом ГОЭЛРО намечалось электрифицировать 3,5 тыс. верст железных дорог. Сегодня, как уже отмечалось, контактные провода подвешены почти на 50 тыс. км стальных магистралей. Это составляет примерно третью часть железнодорожной сети, но на нее приходится свыше 60% всего грузооборота железных дорог страны. Осуществить это могло только государство, имеющее высокоразвитые электротехническую промышленность, приборостроение, машиностроение, металлургию и энергетику, а главное — талантливых ученых, опытных инженеров, строителей, монтажников.
Электрифицированные стальные магистрали составляют основной транспортный скелет страны, они обеспечивают низкую стоимость перевозок и обладают высокой провозной способностью.
Удельный расход топлива в условном исчислении при тепловозной тяге в грузовом движении составляет примерно 43 кг на 10 тыс. т • км брутто, а при электровозной тяге тот же расход топлива, отнесенный к электростанциям, равен 34,5 кг, т. е. на 8,5 кг меньше. При этом на электростанциях используется, как правило, дешевое низкосортное топливо, а на тепловозах — высококачественное дизельное.
Электрификация железных дорог — не узкая транспортная задача. Она решает важные социально-экономические проблемы. Так, коренным образом изменились условия труда локомотивных бригад, исчезли многие профессии с тяжелыми и вредными условиями труда: кочегары, промывальщики котлов и т. д. В зоне электрических магистралей, особенно на станциях и вокзалах, стал чище воздух, так как не происходит загрязнения его продуктами сгорания. С увеличением доли электроэнергии, производимой на гидро- и атомных станциях, преимущества электрического транспорта с точки зрения охраны окружающей среды будут еще более ощутимы. В сельских районах, где проходят электрифицированные железные дороги, закрыты тысячи мелких дизельных электростанций.
Ежегодно на тягу поездов расходуется 56 млрд. кВт-ч электрической энергии, что составляет 3,7% от общего потребления ее в народном хозяйстве, и 11 млн. т дизельного топлива, или 13,4% общего его расхода. На долю топлива и энергии приходится более 20% себестоимости перевозок. Эти цифры говорят о важности бережливого отношения к электроэнергии и топливу.
Замечательное свойство электрических локомотивов — способность возвращать часть затраченной энергии путем рекуперативного торможения — по
17
могло железнодорожникам сберечь много электроэнергии.
Осуществлен переход от выборочной электрификации отдельных грузонапряженных и трудных по профилю и климатическим условиям участков к электрификации целых направлений и магистралей, таких как Москва — Смоленск — Минск — Брест, Москва — Киев — Чоп (соединяется с электрифицированными линиями ЧССР и ПНР), Москва — Симферополь, Ленинград — Тбилиси, Москва — Иркутск — Шилка, Кузбасс — Тайшет — Северобайкальск и др.
Широкая электрификация железных дорог требует непрерывного пополнения локомотивного парка современными электровозами. Построить их непросто — нужны специальные, оснащенные по последнему слову техники заводы.
Почетное задание сконструировать и построить первый советский электровоз было дано в начале 30-х годов московскому электромашиностроительному заводу «Динамо» и Коломенскому машиностроительному заводу тяжелого машиностроения. Вся страна с напряженным вниманием следила за выполнением этого задания. Редакция газеты «Правда» создала на заводе «Динамо» постоянный пост. Его сообщения печатались ежедневно. К 15-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции, 6 ноября 1932 г., из ворот завода вышли два первых советских электровоза. По предложению динамовцев им была присвоена серия ВЛ — Владимир Ленин. Первенцы — электровозы ВЛ 19— обладали солидной по тем временам мощностью 2040 кВт.
В первой послевоенной пятилетке начал выпускать электровозы Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), а выпуск пригородных электропоездов освоил Рижский вагоно
строительный завод (РВЗ). В 1957 г. строительство мощных электровозов было налажено также на Тбилисском электровозостроительном заводе (ТЭВЗ). Советский Союз сегодня занимает первое место в мире по их производству. 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 серий всех отечественных электровозов входят буквы ВЛ и затем цифры: например, ВЛ60, ВЛ80, ВЛ85 — электровозы переменного тока соответственно шестиосные, восьмиосные и двенадцатиосные; ВЛ8, ВЛ 10, ВЛ 11 — восьмиосные постоянного тока; ВЛ 19, ВЛ22, ВЛ23 — шестиосные постоянного тока; ВЛ 15 — двенадцатиосный электровоз постоянного тока.
Кроме того, в необходимых случаях добавляют буквы: м — модернизированный (например, ВЛ22М); у — увеличенная нагрузка от оси на рельс (ВЛ10у); п — пассажирский (ВЛ60п); к — с кремниевыми выпрямителями (ВЛ80к); р — с рекуперацией электрической энергии (ВЛ60р, ВЛ80р); т - с реостатным торможением (ВЛ80т); с — с возможностью работы двух электровозов по системе многих единиц в режимах тяги и реостатного торможения (ВЛ80с); в — с вентильными тяговыми двигателями (ВЛ80в); а — с асинхронными тяговыми двигателями (ВЛ80а).
Начиная с 1968 г. все электровозы переменного и постоянного тока, изготавливаемые в СССР для отечественных железных дорог, выполняются как минимум восьмиосными. Серийно выпу
18
скаются следующие электровозы: постоянного тока с рекуперативным торможением— ВЛ10у в двухсекционном исполнении и ВЛ 11, который может быть сформирован из двух и трех секций, а также работать по системе многих единиц (два двухсекционных электровоза); переменного тока — ВЛ80с с реостатным торможением и ВЛ80р с рекуперативным торможением.
В двенадцатой пятилетке планируется серийное производство новых, более мощных электровозов постоянного тока ВЛ 15 и переменного тока ВЛ85, имеющих унифицированную механическую часть и состоящих из двух одинаковых шестиосных секций. Они будут оборудованы системой электрического рекуперативного торможения, автоматическим управлением режимами движения.
Необходимость в восьмиосных пассажирских локомотивах вызвана повышением числа вагонов, а следовательно, и массы пассажирских поездов.
Кроме того, на некоторых участках, где стыкуются системы постоянного и переменного тока, эксплуатируются электровозы двойного питания: восьмиосные ВЛ82 и ВЛ82М.
Однако в силу ряда обстоятельств они не получили распространения. Более целесообразным оказался способ строительства специальных станций стыкования на границах участков, электрифицированных на постоянном и переменном токе.
Пассажирские электровозы, построенные на заводах Чехословакии, имеют в обозначении серии буквы ЧС, к которым добавляются цифры: ЧС1 и ЧСЗ — четырехосные электровозы постоянного тока; ЧС2 — шестиосные постоянного тока; ЧС6, ЧС7, ЧС200 — восьмиосные постоянного тока; ЧС4 — шестиосные переменного тока; ЧС8 — восьмиосные переменного тока.
Некоторые технические данные отечественных электровозов приведены в приложении 2.
2 УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ
И ЧТЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ В СХЕМАХ
Электровоз имеет разнообразное электрическое оборудование — от мощных электрических тяговых двигателей до высокочувствительных электрических аппаратов и приборов. Устройству и действию электрического оборудования электровозов в настоящей книге уделено основное внимание. При этом краткости изложения, его доступности и ясности во многом должны способствовать, как и в любой технической книге, иллюстрации.
Не всегда для понимания принципа устройства и действия того или иного электротехнического изделия или какого-либо механизма необходимо 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 оборудования электровозов, познакомимся с условными графическими изображениями. Для нашей книги наибольший интерес представляют условные обозначения, принятые в электрических схемах.
Рис. 6. Постепенное упрощение \ сдобного обозначения катушки индуктивное! и	.
Условные графические обозначения не выбирают по желанию и вкусу исполнителя или потребителя, они устанавливаются государственными общесоюзными стандартами (ГОСТами). Это позволяет всем, кто сталкивается в процессе работы с такими условными изображениями, легко понимать их.
Разработке и внедрению стандартов в нашей стране уделяется большое внимание. ГОСТы утверждаются и вводятся постановлениями Государственного комитета стандартов СССР. По мере развития техники, расширения международных связей разрабатываются новые стандарты и пересматриваются действующие.
С 1 января 1971 г. начали действовать стандарты Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), которые систематически уточняются. В ЕСКД входят сотни стандартов, в том числе и на условные графические обозначения в электрических, пневматических и кинематических схемах. Стандарты ЕСКД имеют номера, состоящие из трех групп цифр, например 2.701—84, здесь первая цифра (2) свидетельствует о том, что стандарт относится к системе ЕСКД, после точки указывается номер стандарта и после знака «тире» — год утверждения. Переработанный или уточненный стандарт сохраняет тот же номер, но год утверждения изменяется. Ежегодно выпускается указатель «Государственные стандарты СССР», где перечисляются все стандарты, действующие на 1 января текущего года.
20
Составляя стандарты на условные графические обозначения, стремятся к тому, чтобы обозначения по возможности выражали наиболее характерные особенности изделия, были просты для запоминания, требовали минимального времени для вычерчивания, учитывали принятые международные обозначения. Например, генераторы, электродвигатели и другие электрические машины имеют вращающиеся цилиндрические части (якорь, ротор), поэтому в основу их условного обозначения положена окружность. Электрические машины постоянного тока характеризуются наличием щеток, скользящих по коллектору. Чтобы отразить это, в условные обозначения машин введены два незачер-ненных прямоугольника, касающихся окружности. Как уже было отмечено, графические условные обозначения по возможности стремятся упростить. На рис. 6 показано, как постепенно упрощалось, например, изображение катушки индуктивности.
Чтобы оценить, насколько упрощается выполнение рисунков при использовании условных графических обозначений без ущерба для понимания принципа действия, например, зубчатого редуктора, вернемся к рис. 3, а. На нем изображен редуктор, состоящий из двух зубчатых колес, которые показаны образующимися линиями в соответствии с ГОСТ 2.770—68. Конечно, можно было бы показать зубчатые колеса в натуральном виде, однако это не способствовало бы лучшему пониманию принципа действия редуктора, но зато значительно усложнило бы рисунок. Безусловно, в тех случаях, когда нужно разъяснить не принцип действия какого-либо изделия, а дать представление о его устройстве, общем виде, условное графическое обозначение не заменит чертежа или рисунка (см., например, рис. 2 и 14).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Электрическая схема — это чертеж, на котором показано упрощенное и наглядное изображение связи между отдельными элементами электрической цепи, выполненной с применением условных графических обозначений, и позволяющий понять принцип действия устройства. В отличие от машиностроительных и строительных чертежей электрические схемы выполняют без соблюдения масштаба, а действительное пространственное расположение составных частей установки не учитывают или учитывают приближенно.
Напомним, что любая электрическая цепь состоит из источников энергии 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 электровозов содержат много электрических машин, аппаратов и приборов. Эти цепи настолько сложны, что ни изготовить, ни наладить, ни эксплуатировать, ни ремонтировать электрооборудование электровоза невозможно, не имея соответствующих чертежей — схем.
Графические обозначения элементов устройства и соединяющие их линии располагают на схеме таким образом, чтобы обеспечить наилучшее представление о структуре изделия и взаимодействия его составных частей. ГОСТ 2.701—84 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению» устанавливает виды и типы схем изделий всех отраслей промышленности и подразделяет схемы на электрические, пневматические и кинематические. Нас интересуют электрические схемы и в некоторой степени пневматические и кинематические.
21
В соответствии с ГОСТ 2.701—84 в зависимости от назначения электрические схемы разделяют на следующие: структурные, функциональные, принципиальные (полные), соединений (монтажные), расположения и некоторые другие. Далее будут рассматриваться в основном принципиальные схемы и иногда структурные.
Структурные схемы определяют основные функциональные части изделий (установки), их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы разрабатывают при проектировании изделий. Они предшествуют разработке схем других типов; пользуются структурными схемами для общего ознакомления с изделием.
Функциональные схемы позволяют понять определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Они служат для более углубленного ознакомления с электрическим оборудованием. Функциональными схемами пользуются для изучения принципов работы установки при ее наладке, контроле и ремонте.
На принципиальной (полной) схеме показывают все элементы, входящие в установку, связи между ними; схема дает детальное представление о работе установки. Элементом схемы называется составная часть ее, которая не может быть разделена на другие части, имеющие самостоятельное функциональное значение (резистор, конденсатор, трансформатор и т. д.). Принципиальными схемами пользуются для изучения принципов работы электроустановки, при ее наладке, контроле и ремонте. Эти схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например схем соединений (монтажных) и чертежей.
Схемами соединений (монтажными) пользуются при монтаже электротехни
ческих изделий, когда необходимо точно знать, как разместить все оборудование, как проложить и подключить провода, жгуты, кабели, а также места их присоединения.
Познакомимся подробнее с общими правилами выполнения принципиальных схем. На принципиальной схеме показывают условными графическими обозначениями все электрические элементы (приложение 3) электроустановки, а также все электрические связи между ними. Связи по возможности изображают прямыми линиями с наименьшим числом пересечений. Линии связи должны быть, как правило, показаны полностью, обрывать их допускается лишь в схемах очень большого размера.
Применительно к электровозам различают следующие принципиальные схемы:
тяговых силовых цепей, которые содержат устройства, предназначенные для реализации тяговой мощности; в эти цепи входят тяговые электрические двигатели, пусковое оборудование, силовая коммутационная аппаратура, различные реле и т. д.;
электрических цепей управления, к которым относятся цепи управления электрическими аппаратами, сигнализации, автоматики и др.;
вспомогательных цепей, в которые входят вспомогательные машины и устройства отопления, т. е. оборудование, предназначенное для обеспечения собственных нужд электрического подвижного состава.
По исполнению принципиальные схемы могут быть совмещенными и разнесенными.
В совмещенных схемах машины, аппараты и приборы изображают в одном месте со всеми относящимися к ним обмотками и контактами. Электрические связи между отдельными элементами
22
показывают линиями. Такие схемы наглядны только при рассмотрении несложных электрических установок. При большом количестве связей схема получается запутанной, и ее трудно читать. Поэтому для изучения сложных электротехнических изделий, в том числе и электровозов, пользуются разнесенными схемами.
В разнесенных схемах контакты и обмотки всех аппаратов, машин и приборов, показанных в конкретной схеме, изображены отдельно и соединены друг с другом в последовательности, соответствующей прохождению тока. На схемах с разнесенным изображением все элементы одного и того же аппарата должны иметь одинаковое обозначение.
Например, на рис. 7 дана упрощенная принципиальная схема управления быстродействующим выключателем БВ силовой цепи электровоза постоянного тока (назначение и принцип работы БВ будут рассмотрены в главе 4, а действие этой цепи — в главе 7).
Все элементы, принадлежащие БВ, имеют одинаковое обозначение: 51-1. На рис. 7 изображены контакты аппа
рата, относящиеся только к цепи управления, а силовые контакты БВ обычно показывают на схеме тяговых силовых цепей. Расположение контактов и катушек в схеме обусловлено электрическими соединениями с элементами других аппаратов, например дифференциального реле (см. с. 133), обозначенного 52-1. Нетрудно заметить, что элементы дифференциального реле показаны в схеме разнесенными. Кнопочные выключатели с поясняющими надписями Возврат БВ и БВ служат для включения этого аппарата, но не являются его составной частью. Они располагаются на пульте управления машиниста и каждая пара имеет свой номер 81-1 и 82-2.
Электровозы конструктивно исполнены в двух и более секциях и последняя отделенная чертой цифра показывает, в какой из них расположено оборудование. Как следует из условных обозначений быстродействующего выключателя и дифференциального реле, аппараты находятся в первой секции электровоза по одному на единицу элек-троподвижного состава, а управление ими осуществляется из кабин маши
__________52~1
95-1 Главный вал
8-я секция
К50
1 О
51-1	51-1
I Возврат ВВ	В В
47 да >__________
"4“	81-1	““
.....R136 ——(..‘‘|..
В137	58-1
ТК1-М s
81-1^
К50\ У К5°
Главный Вал
82-8 82-8
9В-8
возв.ВВ	Удерж, б в

Рис. 7. Схема, выполненная разнесенным способом
23
ниста, оборудованных кнопочными выключателями 81-1 (82-2) и контроллерами 95-1 (96-2), речь о которых пойдет в главе 7.
Разнесенным способом допускается вычерчивать как всю схему, так и ее отдельные части. Отдельные цепи должны быть расположены одна под другой и образовывать параллельные строки (строчный способ выполнения разнесенной схемы). Допускается располагать строки на схеме и вертикально. При выполнении схемы строчным способом рекомендуется параллельные строки нумеровать. На рис. 7 каждая строка имеет свой номер: К62, К50, 47 И т. д.
Для правильного чтения схемы нумеруют и отдельные участки проводов. Так, на одной из строк рисунка имеются следующие элементы с номерами: провод и контакт 47 главного вала 95-1, провод Н130, кнопочные выключатели 81-1 (Возврат БВ и БВ), межсекционный разъем, провод К50, кнопочные выключатели 82-2, провод Н131, провод и контакт 47 главного вала 96-2.
Каждый элемент, входящий в схему, имеет буквенно-цифровое обозначение. Такое обозначение представляет собой сокращенное условное наименование как отдельного элемента, так и устройства в целом. В соответствии с ГОСТ 2.710—81 «Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах» установлены буквенные коды наиболее распространенных видов элементов: С — конденсаторы; L — катушки индуктивности, дроссели; G — генераторы, источники питания; М — двигатели; Т — трансформаторы, автотрансформаторы; Р — приборы, измерительное оборудование; V — приборы полупроводниковые; К — реле, контакторы и т. д.
Для уточнения назначения некоторых элементов рекомендуются обозначения, состоящие из сочетания несколь
24
ких букв. Так, трансформатор тока обозначается ТА, трансформатор напряжения — TV, диод — VD, тиристор — VS, реле напряжения — KV, измерительные приборы амперметр, вольтметр, ваттметр — соответственно РА, PV, PW.
Цифры, как правило, необходимы для обозначения одного из нескольких однотипных элементов, имеющихся в схеме; их ставят за буквенным обозначением (например, Rl, R2, ..., Ml, М2, ...).
При необходимости допускается применять обозначения и пояснения, не установленные стандартом. Содержание и способ записи таких обозначений поясняются на схеме или в сопутствующем тексте, т. е. документации на изделие. Например, на рис. 7 дана дополнительная информация о быстродействующем выключателе: пояснено функциональное значение кнопочных выключателей 81-1, т. е. выключателей Возврат БВ и БВ (включение БВ).
До введения ГОСТ 2.710—81 в электрических схемах электровозов применяли другие буквенно-цифровые обозначения, которые до сих пор остались в схемах действующих электровозов. К ним привыкли локомотивные бригады, работники депо и т. д. Поэтому в данной книге применены обозначения и по ГОСТ 2.710—81 (в принципиальных схемах узлов и устройств) и принятые заводами-изготовителями (в схемах конкретных электровозов, как, например, на рис. 7).
Принципиальные схемы соответствуют отключенному положению изделия. Это очень важное условие, так как одни контакты аппаратов, если обмотки их 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. Если контакты аппаратов при прохождении тока по их обмоткам размыкают электрические цепи, их называют размыкающими. На схемах контакты изображают в положениях при отсутствии внешних принудительных сил, воздействующих на подвижные контакты.
Ясному представлению о работе любого электрического устройства, умелой его эксплуатации, быстрому устранению неисправностей во многом способствует умение разбираться в электрических схемах, или, как говорят, читать их. Как книгу, схему начинают читать с названия. Затем, зная условные графические обозначения, определяют, какие машины и аппараты входят в электрические цепи. Однако, выяснив это, еще нельзя считать, что схема прочитана. Прочесть схему — значит понять, как работает рассматриваемая цепь. Для этого необходимо знать основные законы электротехники, уметь проследить цепь, а также проверить правильность сделанных предположений. Необходимо также иметь ясное представление о том,
как устроены и работают аппараты и машины, входящие в цепь, и о многом другом в зависимости от назначения и сложности цепи, изображенной на схеме.
Прежде всего 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.
Вернемся к рис. 2, на котором показаны основные сооружения и оборудование, обеспечивающие электроснабжение электрифицированной дороги. Изготовление такого рисунка сопряжено со многими неудобствами: сложностью изображения, трудностью размещения отдельных элементов и т. п. Кроме того, в данном случае не решена главная задача — наглядно показать путь тока от тяговой подстанции к потребителю (электровозу) и обратно к подстанции.
Используя соответствующие услов-
а) Электростанция
д.
ЛЭП
Тяговый тран-с форматор —рг
выстравействующий выключатель \ Контактная сеть
выпрямитель —Т?^
TV1
•мм-
QF1
QF2 TV2 UZ QF3
Повышающий трансформатор /	Отсасывающая
высоковольтные выключатели линия
Рельс
Рис. 8. Схема электроснабжения электрифицированной железной дороги постоянного тока
25
Рис. 9. Упрощенная силовая схема электровоза постоянного тока
ные графические обозначения, можно тот же рисунок показать в виде структурной схемы (рис. 8). Схема дает наглядное представление об электрических связях и оборудовании системы электроснабжения электрифицированной железной дороги постоянного тока. При этом на рис. 8, а даны полные названия элементов, показанных на рис. 2, для более четкого понимания их условных графических изображений. На рис. 8, б применены условные обозначения элементов в соответствии с ГОСТ 2.710—81.
Принципиальные схемы выполняют в многолинейном и однолинейном изображениях (см. приложение 3). При многолинейном способе каждую цепь одной и той же системы изображают отдельной линией (см. рис. 8, а), а элементы аппаратов в их условном изображении дают отдельно для каждой цепи (фазы). В случае однолинейного спосо-
Рис. 10. Упрощенная силовая схема электровоза переменного тока	i
ба все цепи одной и той же системы (например, три фазы трехфазной цепи) изображают одной линией (см. рис. 8, б), все три ножа выключателя или разъединителя и многофазную линию связи обозначают одной линией. Число поперечных черточек на линиях электрической связи однолинейной схемы указывает число фаз.
Простейшее изображение силовой цепи электровоза постоянного тока приведено на рис. 9, электровоза переменного тока — на рис. 10. Эти очень упрощенные схемы силовых цепей выполнены с использованием условных графических (см. приложение 3) и буквенных обозначений, предусмотренных соответствующими стандартами.
Для определения путей прохождения тока в силовых цепях электровозов за отправную принимают точку соприкосновения токоприемника и контактного провода. Это справедливо для электровозов постоянного и переменного тока. Однако какие аппараты в силовой цепи будут срабатывать при прохождении тока и к чему это приведет, нельзя сказать, не зная назначения и устройства этих аппаратов.
Срабатывание любого аппарата силовой цепи электровоза всегда оказывает то или иное воздействие на тяговые двигатели — осуществляется их пуск, регулируется частота вращения, изменяется направление вращения (реверсирование) , производится переключение в режим электрического торможения и т. д. Следовательно, для того чтобы свободно читать электрические схемы электровозов, надо прежде всего знать, как устроены и как работают тяговые двигатели, разобраться в их свойствах (характеристиках). Разумеется, необходимо также иметь представление об устройстве и назначении различных аппаратов, входящих в цепи тяговых двигателей.
26
3 ТЯГОВЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
КАКОМУ ДВИГАТЕЛЮ ОТДАТЬ ПРЕДПОЧТЕНИЕ?
Наибольшее распространение в промышленности получили электрические двигатели двух видов: переменного тока — трехфазные асинхронные и постоянного тока — коллекторные с различными способами возбуждения. Какой же из них лучше использовать на электровозе?
Двигатели, которые могут быть использованы в качестве тяговых на электровозе, должны удовлетворять как минимум двум требованиям. Прежде всего они должны допускать возможность регулирования в широких пределах частоты вращения. Это позволяет изменять скорость движения поезда. Кроме того, необходимо иметь возможность регулировать в широком диапазоне силу тяги, т. е. вращающий момент, развиваемый двигателем. Так, двигатели электровоза должны обеспечивать значительную силу тяги во время трогания поезда, его разгона, при преодолении крутых подъемов и т. п. и снижать ее при более легких условиях движения.
С точки зрения организации движения, казалось бы, желательно, чтобы поезда независимо от изменения сопротивления движению перемещались с постоянной скоростью или эта скорость снижалась бы незначительно. В этом случае зависимость между силой тяги F и скоростью движения v (рис. И, а) представляла бы в прямоугольных осях координат вертикальную прямую ли
нию 1, параллельную оси F, или слегка наклонную линию 2. Зависимость между силой тяги, развиваемой двигателями локомотива, и скоростью его движения называют тяговой характеристикой и представляют ее графически, как показано на рис. 11, или в виде таблиц.
Изображенные на рис. 11, а тяговые характеристики являются жесткими. В случае жесткой характеристики мощность, потребляемая двигателями и равная произведению силы тяги на скорость, например, на крутых подъемах, возрастает пропорционально увеличению силы тяги (произведение viFi значительно меньше V2F2, см. рис. И, а). Резкое увеличение потребляемой мощности приводит к необходимости повышения мощности как самих двигателей, так и тяговых подстанций, увеличения площади сечения контактной подвески, что связано с затратами денежных средств и дефицитных материалов. Избежать этого можно, обеспечив характеристику двигателя, при которой с увеличением сопротивления движению поезда автоматически снижалась бы его скорость, т. е. так называемую мягкую характеристику (рис. 11, б). Она имеет вид кривой, называемой гиперболой. Двигатель с такой тяговой характеристикой работал бы при неизменной мощности (uiFi= V2F2). Однако при движении тяжелых составов на крутых подъемах, когда необходима большая сила тяги, поезда перемещались бы с очень низкой скоростью, тем самым резко ограничивая пропускную способ-
27
Рис. 11. Жесткая (а) и мягкая (б) тяговые характеристики
ность участка железной дороги. Примерно такой характеристикой обладают тепловозы, так как мощность их тяговых двигателей ограничена мощностью дизеля. Это относится и к паровой тяге, при которой мощность ограничивается производительностью котла.
Мощность, развиваемая тяговыми двигателями электровоза, практически не ограничена мощностью источника энергии. Ведь электровоз получает энергию через контактную сеть и тяговые подстанции от энергосистем, обычно обладающих мощностями, несоизмеримо большими мощности электровозов. Поэтому при создании электровозов стремятся получить характеристику, показанную на рис. 11, б штриховой линией. Электровоз, оборудованный двигателями с такой характеристикой, может развивать значительную силу тяги на крутых подъемах при сравнительно высокой скорости. Конечно, мощность, потребляемая тяговыми двигателями в условиях больших сил тяги, повышается (ulFi несколько больше viFi), но это не приводит к резким перегрузкам питающей системы.
Трехфазные асинхронные двигатели самые распространенные. Достоинства их трудно переоценить: простота устройства и обслуживания, высокая надежность, низкая стоимость, несложный пуск. Однако, как известно, частота
вращения асинхронного двигателя почти постоянна и мало зависит от нагрузки, она определяется частотой подводимого тока и числом пар полюсов двигателя. Поэтому регулировать частоту вращения таких двигателей, а следовательно, и скорость движения поездов можно только изменением частоты питающего тока и числа пар полюсов, что трудно осуществить. Кроме того, как уже отмечалось выше, для питания таких двигателей требуется устраивать сложную контактную сеть. Поэтому асинхронные двигатели до недавнего времени почти не применяли на электровозах.
Благодаря развитию полупроводниковой техники оказалось возможным создать преобразователи однофазного переменного тока в переменный трехфазный и регулировать их частоту. Это позволило построить электровозы, на которых в качестве тяговых используются трехфазные асинхронные двигатели. Подробнее о таких электровозах будет рассказано ниже. Отметим, что абсолютно жесткой характеристикой (см. рис. И, а) обладает синхронный двигатель.
В какой же степени отвечают требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям, электрические машины постоянного тока? Напомним, что эти маши-
28
ны — генераторы и двигатели — различаются по способу возбуждения.
Обмотка возбуждения может быть включена параллельно обмотке якоря (рис. 12, а) и последовательно с ней (рис. 12, б). Такие двигатели называют соответственно двигателями параллельного и последовательного возбуждения. Используют также двигатели, у которых имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная. Их называют двигателями смешанного возбуждения (рис. 12, в). Если обмотки возбуждения включены согласно, т. е. создаваемые ими магнитные потоки складываются, то такие двигатели называют двигателями согласного возбуждения; если потоки вычитаются, то имеем двигатели встречного возбуждения. Применяют и независимое возбуждение: обмотка возбуждения питается от автономного (независимого) источника энергии (рис. 12, г).
Чтобы оценить возможности регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока, напомним, что при вращении в магнитном поле проводников обмотки якоря двигателя в них возникает (индуцируется) электродвижущая сила (э. д. с.). Направление ее определяют, пользуясь известным правилом правой руки. При этом ток, проходящий по проводникам якоря от источника энергии, направлен встречно индуцируемой э. д. с. Напряжение С/д, подведенное к двигателю, уравновешивается э. д. с., наводимой в обмотке
якоря, и падением напряжения в обмотках двигателя:
[7д=£+/гд,	(1)
где / — ток электродвигателя; гд — эквивалентное сопротивление обмоток двигателя.
Значение э. д. с.Е пропорционально магнитному потоку и частоте вращения, с которой проводники пересекают магнитные силовые линии, т. е.
Е = С1Фи,	(2)
где С| — коэффициент, учитывающий конструктивные особенности двигателя (число пар полюсов, число активных проводников обмотки якоря и число параллельных ветвей обмотки якоря) и размерности величин, входящих в формулу; Ф — магнитный поток; п — частота вращения якоря двигателя.
Тогда
[7Д = С1Фи + /гд,	(3)
откуда получаем:
п = (U,- 1гл) : (пФ).	(4)
Эта формула позволяет определить зависимость между частотой вращения и магнитным потоком при постоянном значении приложенного напряжения, эквивалентное сопротивление обмоток двигателя невелико и составляет обычно менее одной десятой ома. Поэтому без ощутимой ошибки можно считать, что Un : (С1Ф). Следовательно, частоту вращения двигателя постоянного тока можно регулировать, изменяя подводимое к нему напряжение (прямая про-
двигателей постоянного тока
Рис, 12. Схемы, поясняющие способы возбуждения
29
Рис. 13. Электромеханические характеристики двигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждением
порциональность) или магнитный поток возбуждения (обратная пропорциональность) . Оба способа регулирования частоты вращения применяются на электровозах.
Как зависит вращающий момент от тока якоря? Если подключить проводники обмотки якоря двигателя к электрической сети, то проходящий по ним ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создаст силы, действующие на каждый проводник с током. В результате совместного действия этих сил создается вращающий момент М, пропорциональный току якоря и магнитному потоку полюсов Ф, т. е.
М — см1Ф,	(5)
где См — коэффициент, который учитывает размерность величин, входящих в формулу, число проводников обмотки якоря и другие параметры двигателя.
Из этой формулы видно, что вращающий момент не зависит от подведенного напряжения.
Чтобы построить тяговую характеристику двигателя постоянного тока, необходимо установить, как изменяются частота вращения п и момент М в зависимости от тока при разных способах возбуждения двигателей. С увеличением нагрузки двигателей, например в случае преодоления подъема, при иеиз-
30
менном напряжении 1/д будет возрастать и ток якоря, так как, чтобы преодолеть дополнительную нагрузку, двигатель должен развивать большую силу тяги, а следовательно, и мощность (как известно, Р= ид1).
Для двигателей с параллельным возбуждением можно считать, что ток возбуждения не изменяется с изменением нагрузки. Следовательно, не изменяется и магнитный поток1. Так как сопротивление гя обмотки якоря невелико, то в соответствии с формулой (3) будет незначительно возрастать произведение 1гя при постоянных и Ф. Это значит, что частота вращения двигателя с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки несколько уменьшается (рис. 13, а), а вращающий момент возрастает пропорционально увеличению тока, что графически изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
Примерно такие же характеристики будут иметь двигатели с независимым возбуждением, если не изменяется ток возбуждения.
Рассмотрим те же характеристики для двигателя с последовательным возбуждением (см. рис. 12, б). У такого двигателя магнитный поток зависит от нагрузки, так как по обмотке возбуждения проходит ток якоря. Частота вращения якоря, как видно из формулы (4), обратно пропорциональна потоку и при увеличении тока якоря /, а значит и магнитного потока Ф, резко уменьшается (рис. 13, б). Вращающий момент двигателя, наоборот, резко возрастает, так как одновременно увеличиваются ток якоря и зависящий от него магнитный поток возбуждения.
1 В действительности магнитный поток немного уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря.
В случае небольших нагрузок магнитный поток возрастает пропорционально току, а вращающий момент, как это следует из формулы (5),— пропорционально квадрату тока якоря. Если нагрузка увеличивается значительно, ток двигателя возрастет до такой степени, что наступит насыщение его магнитной системы. Это приведет к тому, что частота вращения будет снижаться уже в меньшей степени. Но тогда начнет более интенсивно возрастать ток, а значит, и потребляемая из сети мощность. При этом скорость движения поезда несколько стабилизируется. Зависимости частоты вращения якоря п, вращающего момента М и коэффициента полезного действия ц от потребляемого двигателем тока I называют электромеханическими характеристиками на валу тягового двигателя при неизменном напряжении ид, подводимом к тяговому двигателю, и постоянной температуре обмоток 115°С (по ГОСТ 2582—81).
По электромеханическим характеристикам двигателя можно построить его тяговую характеристику. Для этого берут ряд значений тока и определяют по характеристикам соответствующие им частоту вращения и вращающий момент. По частоте вращения двигателя несложно подсчитать скорость движения поезда, так как известны передаточное число i редуктора и диаметр D круга катания колесной пары:
v = лГ)п/1.	(6)
Поскольку в теории тяги пользуются размерностью частоты вращения якоря тягового электродвигателя, выраженной в об/мин, а скорость движения поезда измеряют в км/ч, то формула (6) с учетом коэффициента согласования этих размерностей принимает вид
v = 0,188Dn/i.
Зная вращающий момент на валу двигателя, а также потери при передаче момента от вала тягового двигателя к колесной паре, которые характеризуют к. п. д. передачи т,п, можно получить и силу тяги, развиваемую одной, а затем и всеми колесными парами электровоза:
Гк = 2пкдМщп/О,	(7)
где пкд — число тяговых двигателей локомотива или движущих колесных пар.
По полученным данным строят тяговую характеристику FK (и) (см. рис. И).
На электрических железных дорогах в качестве тяговых в подавляющем большинстве случаев используют двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, обладающие мягкой тяговой характеристикой. Такие двигатели, как отмечалось выше, при больших нагрузках вследствие снижения скорости потребляют меньшую мощность из системы электроснабжения.
Тяговые двигатели последовательного возбуждения имеют и другие преимущества по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. В частности, при постройке тяговых двигателей устанавливают допуски на точность изготовления, на химический состав материалов для двигателей и т. п. Создать двигатели с абсолютно одинаковыми характеристиками практически невозможно. Вследствие различия характеристик тяговые двигатели, установленные на одном электровозе, при работе воспринимают неравные нагрузки. Более равномерно нагрузки распределяются между двигателями последовательного возбуждения, так как они имеют мягкую тяговую характеристику.
Однако двигатели последовательного возбуждения имеют и весьма существенный недостаток — электровозы
31
с такими двигателями склонны к бок-сованию, иногда переходящему в разносное. Этот недостаток особенно резко проявился после того, когда масса поезда стала ограничиваться расчетным коэффициентом сцепления. Жесткая характеристика в значительно большей мере способствует прекращению боксо-вания, так как в этом случае сила тяги резко снижается даже при небольшом скольжении и имеется больше шансов на восстановление сцепления. К недостаткам тяговых двигателей последовательного возбуждения относится и то, что они не могут автоматически переходить в режим электрического торможения: для этого необходимо предварительно изменить способ возбуждения тягового двигателя.
УСТРОЙСТВО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: остов с полюсами, якорь, щеткодержатели и щетки, подшипниковые щиты (рис. 14). Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределены условиями их работы. Размеры тягового двигателя ограничены габаритом — предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске, ударам при прохождении колесных пар по неровностям 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 условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления,
правильной эксплуатации и своевременном ремонте.
Якорь. У тягового двигателя якорь (рис. 15, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.
Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 15, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.
Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем наводится э. д. с. Значения этой 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 так называемые вихревые токи. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть 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 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малой площадью сечения и, следова-
1*
32
Щеткодержатель
Обмотка главного полюса
Главный полюс
Коллектор
Подшипниковый щит
Вал
Якорь
Дополнительный полюс
Роликовый подшипник
Обмотка дополнительного полюса
Рис. 14. Разрез тягового двигателя электровоза постоянного тока
тельно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее 1 —1,5% кремния.
В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагре
вается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.
Валы якорей тяговых двигателей изготавливают из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. По
Сердечник
Рис. 15. Якорь тягового двигателя
Вентиляционные
отберстия
2—3543
33
этому 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 один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. 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 быть расположены один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, образуя таким образом обмотку якоря. Отдельные витки, составляющие обмотку, называют 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 могут быть соединены двумя способами, и в зависимости от этого получают обмотки двух типов — петлевую и волновую.
Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюса электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.
Для получения петлевой обмотки (рис. 16, а) начало проводника / присоединяют к коллекторной пластине Г, а конец его соединяют с началом проводника 2. Конец проводника 2 присоединяют к пластине 2'. Проводники / 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 Г.
При волновой обмотке (рис. 16, б) начало проводника /, расположенного под северным полюсом (полюс JV) первой пары полюсов, присоединяют к коллекторной пластине Г, а конец — к проводнику 2, как и в петлевой обмотке. Затем, в отличие от петлевой обмотки, конец проводника 2 через соответствующую коллекторную пластину 2', распо
Рис. 16. Петлевая (а) и волновая (б)‘ обмотки якоря
34
ложенную уже не рядом с пластиной соединяют с проводником 3, находящимся под полюсом N следующей пары полюсов. Проводник 3 соединяют с проводником 4, расположенным под полюсом той же пары полюсов, и через коллекторную пластину с проводником 5, находящимся под полюсом N первой пары полюсов, и так до тех пор, пока обмотка не замкнется. Секция обмотки этого типа имеет форму волны, вследствие чего обмотка и получила название волновой. В отличие от петлевой обмотки концы секции волновой обмотки присоединяют к несмежным коллекторным пластинам.
В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку. В современных тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник (см. рис. 15, б). В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую — в нижнюю часть другого. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секции. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что упрощает технологию их изготовления.
Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря она под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандаж на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы (рис. 17, а, б).
Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах, выполненных из стальной проволоки, теряется энергия, поскольку они вращаются в
S)
бандаж
Сердечник якоря
Рис. 17. Клиновое (а, б) и бандажное (в) крепление обмотки якоря
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, поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях. Однако при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.
Раньше прямоугольные проводники обмотки якоря располагали вертикально (см. рис. 17, а). При расположении проводников, имеющих прямоугольное сечение, плашмя (см. рис. 17, б) не требуется места (по ширине паза) на изоляцию и улучшается отвод тепла от меди к боковым стенкам паза. Это позволяет улучшить теплоотдачу, а следовательно, уменьшить радиальные размеры сердечника и, кроме того, снизить добавочные потери в меди, так как уменьшаются вихревые токи. Так размещены обмотки в тяговых двигателях электровозов постоянного и переменного тока новых серий. Это позволило повысить мощность двигателей при за-
2*
35
МиканитоАые
Коллекторные пластины
Рис. 18. Коллектор тягового двигателя
данных габаритных размерах. Однако монтаж такой обмотки сложней, чем обмотки, проводники которой расположены вертикально. Лобовые соединения обмотки якоря крепят только бандажами, которые выполняют из стеклолен-ты, пропитанной клеящими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.
Производство новых электроизоляционных материалов высокой прочности позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якори, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность (рис. 17, в). Это снижает стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.
Коллектор (рис. 18) —один из основных и наиболее ответственных узлов 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 превышает 800 мм, число пластин достигает 600.
Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической рроч-
36
ностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого «ласточкиного 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 важно, так как к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти за очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя! То же самое может произойти при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.
От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные 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 делают меньшей высоты — продороживают коллектор специальными фрезами.
Щетки и щеткодержатели. Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя.
Щетки для тяговых двигателей изготовляют из графита, получаемого
при нагреве в электрической печи сажи, кокса, антрацита. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износоустойчивыми.
Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию (объяснение этого термина дано на с. 40) двигателей. Однако если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетку удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза, и увеличение длины коллектора вызвало бы необходимость уменьшить длину сердечника якоря и-проводников обмотки, что в свою очередь привело бы к снижению мощности двигателя.
Щеткодержатель (рис. 19) состоит из корпуса и кронштейна, корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.
Щетки прижаты к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.
Рис. 19. Щеткодержатель тягового двигателя
Остов. У тягового двигателя остов (рис. 20) одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюса. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.
В магнитной системе тяговых двигателей, установленных на электровозах переменного тока, пульсирующий выпрямленный ток вызывает дополнительные потери. Чтобы снизить их, в массивный остов часто впрессовывают вставку, набранную, подобно якорю, из отдельных листов.
На электровозах с опорно-осевым подвешиванием остову в поперечном сечении придавали почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяла умень-
Катушка кон-пенсаиионнои оВпотки
Прилив предох ранитетмм
Дополнительный полюс
Остов
Рис. 20. Остов тягового двигателя
Глабный полюс
Прилив опорно-осевого подшипника
37
шить размеры двигателя, что важно для размещения его на электровозе. Стремление к непрерывному снижению массы тяговых двигателей привело к применению остовов цилиндрической формы. К остову крепят главные и дополнительные полюса, щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь электродвигателя, и другие детали; предусмотрены в остове люки для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Остов имеет горловины, через которые в него устанавливают полюса, якорь и другие детали. В процессе эксплуатации электровоза приходится периодически проверять состояние коллектора и щеточного аппарата. Для этого в остове имеются смотровые люки, герметично закрываемые крышками.
Подшипниковые щиты. Ими плотно закрывают торцовые горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В современных тяговых двигателях 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 выбрасывание смазки — лабиринтные маслоуплотнители. Подшипниковые щиты предотвращают загрязнение частей двигателя и проникновение в него влаги.
Главные полюса. Они представляют собой сердечники, на которые надевают катушки обмотки возбуждения. Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Зачем это делают? По катушке сердечника проходит постоянный магнитный поток, а сам сердечник неподвижен и, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы так, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности зубцы и впадины его сердечника, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока, из-за чего в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали, т. е. выполнять шихтованным.
Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по по
Рис. 21. Сердечник главных полюсов, тяговых двигателей: а — некомпенсированного; б — компенсированного
38
верхности якоря, сердечнику (рис. 21, а и б) придают довольно сложную Т-об-разную форму: она определяется соотношением размеров ширины сердечника и его полюсного наконечника, формой воздушного зазора, наличием компенсационной обмотки, условиями размещения и закрепления ее и катушек главных полюсов, способом крепления сердечников к остову.
Тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две или три пары главных полюсов, а на электровозах переменного тока — три пары полюсов.
Компенсационная обмотка, применяемая в тяговых двигателях пульсирующего тока и в мощных двигателях постоянного тока, служит для компенсации реакции якоря (см. с. 41). Обмотку располагают в пазах наконечника главных полюсов (см. рис. 21, б) и соединяют последовательно с обмоткой якоря. В отечественных тяговых двигателях применена хордовая компенсационная обмотка (рис. 22) из мягкой прямоугольной медной проволоки, выполняемая катушками, которые можно устанавливать и снимать независимо от других обмоток. Крепят компенсационную обмотку в пазах клиньями.
Дополнительные полюса. Как и главные, эти полюса состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с. (см. с. 41), сравнительно невелик, вследствие чего дополнительные полюса имеют меньшие размеры, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными. В машинах с тяжелыми условиями коммутации, а также в двигателях пульсирующего тока для уменьшения вихревых токов эти сердечники выполняют шихтованными.
Рис. 22. Компенсационная обмотка тягового
двигателя
Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов всегда равно числу главных.
Остов, главные и дополнительные полюса образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает прохождение магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.
Электрическая изоляция. Изоляция играет важную роль в обеспечении надежной работы любого электрического устройства, в том числе и двигателей.
Изоляция тяговых двигателей подвергается значительному нагреву, воздействию влаги, перенапряжений, вибрации, поэтому она должна обладать достаточной электрической и механической прочностью, быть нагрево- и влагоустойчивой. Нагревоустойчи-вость — один из основных показателей качества изоляции, в зависимости от нее все электроизоляционные материалы делят на классы. Класс изоляции обозначается буквами латинского алфавита. В соответствии с ГОСТ 2582—81 «Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические требования» в тяговых машинах используют изоляцию классов В, F, Н, Р.
Применение изоляции высокого класса повышает надежность тягового двигателя, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность, допускать более высокие температуры нагрева его частей.
39
Пронпадка нежсекционная
Покродния изоляция
[	I
Г^К*йЮК&ЯШЖМййК*ЭДашшиК|№ 88ЙЙЙЙЯЙЙЙЙЙЙЙЙЯЙЙ8»;
Корпусная изоляция
Витно&ая изопяция
Медные _ проводники
Рис. 23. Изоляция секции
Где же применяют изоляцию в тяговых двигателях? Прежде всего в обмотке якоря (рис. 23): изолируют друг от друга медные провода, из которых выполнена эта обмотка,— витковая изоляция; каждую секцию изолируют от корпуса и одну от другой — корпусная изоляция. Корпусная изоляция от механических повреждений защищена покровной. Кроме того, секции, расположенные в одном пазу, имеют еще общую покровную изоляцию и прокладки, которые укладывают на дно паза, между секциями, а также между верхней секцией и клином. В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и выводы, изолируют также всю катушку от остова двигателя.
Кронштейны щеткодержателей изолируют от корпуса двигателя с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 19). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и одну от другой выполняют так, как показано на рис. 18. '
КОММУТАЦИЯ. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
В процессе вращения якоря двигателя витки его обмотки поочередно переходят из области взаимодействия с северным полюсом в область взаимодей
ствия с южным, а затем снова с северным и т. д. При переходе витка из одной области в другую ток в нем уменьшается до нуля (происходит как бы отключение цепи), а затем возрастает (включение) до прежнего значения, но изменив направление на противоположное.
Изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей), осуществляемое с помощью различных аппаратов — коммутаторов, называется коммутацией (от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В электрических машинах постоянного тока коммутатором служит коллектор. Максимальная частота изменения направления тока в секции обмотки якоря очень велика и составляет в зависимости от типа двигателя 13—15 тысяч переключений в минуту. Коммутация в некоторых условиях может сопровождаться искрением под щетками, что приводит к усиленному износу коллектора, а иногда, при возникновении сплошного искрения (кругового огня), к серьезным повреждениям двигателя.
Рассмотрим, как протекает процесс коммутации. Известно, что в электрической цепи при изменении тока возникает э. д. с. самоиндукции. Появление ее объясняется тем, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, проходящим по проводнику, изменяется одновременно с изменением тока. Изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению в проводнике э. д. с. самоиндукции, направление которой таково, что она препятствует изменению тока, вызывающему ее, т. е. стремится поддержать первоначальный ток. Если ток уменьшается, то э. д. с. самоиндукции задерживает его снижение и, наоборот, при увеличении тока задерживает его рост.
Результат действия э. д. с. самоиндукции можно увидеть, например, при
40
размыкании рубильников, когда в момент разрыва цепи в воздухе возникает электрическая дуга. Действие э. д. с. самоиндукции подобно силам инерции в механике, которые противодействуют всякому изменению скорости движущегося тела.
При коммутации витка обмотки якоря в момент, когда щетка сходит с коллекторной пластины, с которой электрически соединен коммутирующий виток, цепь размыкается и возникающая э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать прекращающийся ток. Но между неподвижной щеткой и быстро движущейся коллекторной пластиной сразу же появляется слой воздуха, который, как известно, обладает хорошими изоляционными свойствами. Э. д. с. самоиндукции повышает напряжение, действующее между соседними коллекторными пластинами, и воздух может ионизироваться, т. е. стать проводником; при некотором значении э. д. с. слой воздуха пробивается, через него проходит электрический ток.
Кроме э. д. с. самоиндукции, есть еще причины, затрудняющие процесс коммутации в двигателе. Одна из них — э. д. с. взаимной индукции. Как уже было отмечено, щетка перекрывает не одну, а несколько пластин коллектора, т. е. в процессе коммутации участвуют несколько соседних витков одновременно; 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. взаимной индукции в соседних, действующую согласно с э. д. с. самоиндукции.
Затрудняет коммутацию и так называемая реакция якоря. Сущность этого явления заключается в следующем. Проходящий по проводникам обмотки якоря ток создает вокруг каждого проводника магнитный поток, направление
силовых линий которого определяется по известному из электротехники правилу буравчика (рис. 24). Магнитные потоки отдельных проводников обмотки якоря, складываясь, образуют общий магнитный поток якоря, направленный перпендикулярно к оси полюсов. Поток якоря, накладываясь на магнитный поток обмотки возбуждения, искажает его под полюсами двигателя: усиливает с одной стороны и ослабляет с другой. Воздействие магнитного потока якоря на магнитный поток возбуждения 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 в сферу действия магнитного потока. Поэтому коммутируемые витки пересекают магнитные силовые линии искаженного магнитного потока и в них и наводятся дополнительные э. д. с., которые, как и э. д. с. самоиндукции и взаимной индукции, нарушают нормальный процесс коммутации. Э. д. с. самоиндукции, взаимной индукции и реакции якоря складываются. Результирующую э. д. с. называют реактивной.
Как же добиться, чтобы при коммутации не возникло сильное искрение? В тяговых двигателях, как и в большинстве других двигателей постоянного тока, для этого устанавливают дополнительные полюса. Магнитный поток, создаваемый ими, должен быть направлен так, чтобы в коммутируемых секциях при их перемещении наводилась э. д. с., равная реактивной и направленная навстречу ей. Реактивная э. д. с. непостоянна. Она изменяется пропорционально току якоря. Э. д. с., создаваемая дополнительными полюсами, должна изменяться так же. Это условие будет выполнено, если по обмотке до-
Рис. 24. Направления магнитного потока главных полюсов и магнитного потока реакции якоря
Рис. 25. Соединение обмоток якоря и дополнительных полюсов тяговых двигателей
полнительных полюсов будет проходить тот же ток, что и по обмотке якоря. Поэтому обмотку якоря и обмотки дополнительных полюсов необходимо соединить последовательно (рис. 25).
Для улучшения процесса коммутации щетки выполняют из материала, создающего повышенное сопротивление в месте 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 напряжения между соседними коллекторными пластинами. Коммутация двигателей протекает без искрения при напряжении между ними, не превышающем 30—32 В. Более высокое напряжение способно пробить воздушный промежуток, и тогда в момент разрыва контакта между щетками и сбегающими с них коллекторными пластинами возникает искрение.
Как уже отмечалось, реакция якоря ослабляет магнитный поток возбуждения с одной стороны полюса и усиливает его с другой. В витках якоря, пересе
42
кающих область, где магнитный поток возбуждения усилен, возникает повышенная э. д. с. В результате возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами. Это напряжение увеличивается также при перегрузках мощных тяговых двигателей, когда особенно сильно сказывается реакция якоря. В таких условиях между коллекторными пластинами может возникнуть круговой огонь — мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко обмотку якоря или большую часть ее; она вызывает тяжелые повреждения двигателя.
Дополнительные полюса сводят до минимума опасность возникновения только реактивной э. д. с., не компенсируя искажающее действие реакции якоря под главными полюсами. Поэтому во всех двигателях электровозов переменного тока и в мощных двигателях электровозов постоянного тока ВЛ 10 и ВЛ 11 применяют компенсационную обмотку. Эту обмотку (см. рис. 22) соединяют последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый компенсационной обмоткой поток был направлен встречно по отношению к потоку реакции якоря. Этот поток устраняет искажение потока под главными полюсами, а следовательно; и искажение напряжения между коллекторными пластинами, находящимися в этой зоне.
Компенсационная обмотка — наиболее действенное средство улучшения коммутации тяговых двигателей, обычно работающих в условиях резкопеременных нагрузок. Однако применение ее усложняет конструкцию двигателя; усложняются также его эксплуатация и ремонт. Применение гладких якорей, о которых говорилось выше, позволяет отказаться от компенсационной обмотки, так как при этом значительно уменьшается реакция якоря, а значит, улуч
шается коммутация тяговых двигателей.
Следует отметить, что использование петлевой обмотки и увеличение числа пар полюсов также обеспечивают лучшую коммутацию.
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? Каковы допустимые перегрузки и их продолжительность?
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 выше температуры окружающей среды. Повышение температуры сказывается на состоянии и работоспособности двигателя и в первую очередь на его изоляции.
Предельные допустимые превышения температуры частей тяговых электрических машин, изолированных материалами различных классов нагрево-стойкости, по отношению к температуре охлаждающего воздуха как при испытаниях на стенде, так и в эксплуатации не должны превышать норм, указанных в ГОСТ 2582—81. Так, для изоляции класса Н допустимое превышение температуры обмотки якоря может дости
гать 160° С, для обмотки возбуждения 180° С и коллектора 105° С, а для изоляции класса В — соответственно 120, 130 и 95° С. Превышение температуры обмоток определяют методом сопротивления. Для этого измеряют сопротивление обмотки в холодном состоянии, а затем в нагретом. Зная зависимость изменения сопротивления проводников обмотки от температуры, можно вычислить превышение температуры той или иной обмотки над температурой воздуха, охлаждающего машину. Эта зависимость характеризуется температурным коэффициентом а.
Температуру коллектора измеряют термометром. Превышение ее равно разности между показаниями термометра и температурой охлаждающего воздуха.
Нормы предельных допустимых превышений температуры для различных узлов тяговых машин установлены при условии, что температура охлаждающего воздуха находится в пределах от + 10 до 4-40° С. Если по каким-либо причинам эта температура выходит за указанные пределы, завод-изготовитель вносит соответствующие поправки.
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 их массу.
Если увеличить количество воздуха, охлаждающего узлы двигателя, то охлаждение будет более интенсивным, и тяговый двигатель сможет развивать большую мощность, при которой температура его узлов не превысит допустимую. Поэтому через тяговые двигатели
43
с помощью вентиляторов непрерывно прогоняют охлаждающий воздух.
В зависимости от времени, в течение которого узлы двигателя нагреваются до максимальной допустимой температуры, различают мощность продолжительного и часового режимов. Под продолжительной понимают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения температуры узлов двигателя сверх максимального допустимого значения.
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 узлов двигателя над максимальной допустимой. Полагают, что температура узлов двигателя в начале испытания равна температуре окружающей среды, которую принимают равной 4- 25° С. Если температура окружающей среды выше + 25° С, то допустимые значения температуры узлов снижают. Ток, соответствующий продолжительной мощности, называют продолжительным, а ток, реализуемый при часовой мощности,— часовым.
Разумеется, в процессе ведения поезда ток, а следовательно, и мощность тяговых двигателей все время изменяются: при движении по подъему мощность двигателей кратковременно может превышать часовую; на спусках, площадках двигатели развивают мощность, меньшую часовой или даже продолжительной. При этом нагретые обмотки двигателей охлаждаются.
Допустимые перегрузки оговариваются заводами-изготовителями.
Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем в течение короткого времени, за которое его узлы не успевают перегреться, ограничивается их механической прочностью и условиями коммутации. Понятно, что при очень большой мощности и, как следствие этого, чрезмерных механических усилиях в двигателе могут возникнуть напряжения, превышающие предел упругости, которые, в конечном счете, приводят к механическим повреждениям.
Чем больше ток двигателя, тем больше в нем реактивная э. д. с., тем больше ее недокомпенсация, связанная с насыщением дополнительных полюсов двигателя. Следовательно, при очень большой потребляемой 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 условиями коммутации 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.
Нагрев обмоток тягового двигателя в зависимости от конкретных условий работы электровоза на каком-либо участке пути определяют после проведения тяговых расчетов. С помощью тяговых расчетов сначала устанавливают условия максимального использования мощности электровоза, затем определяют наиболее рациональные режимы ведения поезда при максимальной возможной массе поезда для данного профиля на рассматриваемом участке, обеспечи-
44
Рис. 26. Кривые нагревания и охлаждения обмоток якоря (а) и возбуждения (6) тягового двигателя
вающие минимальное время нахождения на участке, и минимальный расход электрической энергии.
После выполнения тяговых расчетов проверяют возможность работы тяговых двигателей при выбранных режимах без превышения допустимых температур нагрева.
В остов тягового двигателя охлаждающий воздух обычно вводят со стороны коллектора. Здесь он разбивается на два параллельных потока: один проходит по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря (они видны на рис. 15, б), другой — по катушкам полюсов, поверхности якоря и коллектора. По мере увеличения количества тепла в двигателе повышается температура его узлов. С другой стороны, чем выше их температура по сравнению с температурой окружающей среды, или, как говорят, чем больше перепад температуры, тем большее количество тепла от нагреваемого тела рассеивается в окружающей среде. 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.
Все технические данные тягового двигателя и электровоза, как уже отмечалось, приводят для двух режимов — часового и продолжительного. Так, для часового режима двигателя ТЛ-2К1 электровоза ВЛ 10 мощность равна 670 кВт, частота вращения 790 об/мин, ток 480 А, к. п. д. 93,4%, а для продолжительного — соответственно 575 кВт, 830 об/мин, 410 А, 93%.
Используя определенные методы, строят кривые потребляемого тока электровоза в зависимости от установленной массы поезда и времени потребления тока. Получив такие данные, определяют в зависимости от режима ведения поезда температуру нагрева или охлаждения обмотки якоря, обмоток главных и дополнительных полюсов, компенсационной обмотки по тепловым характеристикам, которые прилагает завод-изготовитель. Такие характеристики получают на основании результатов испытаний.
Для примера на рис. 26 показаны кривые нагревания и охлаждения обмотки якоря и обмоток главных полюсов тягового двигателя ТЛ-2К1 в зависимости от тока. Такие же кривые даются заводом для обмоток дополнительных полюсов и компенсационной
45
обмотки. Как видим, при токе 466 А в течение 1 ч обмотка якоря нагревается до температуры 110° С, а обмотки главных полюсов — до 140° С, что объясняется разными условиями их охлаждения. Ясно, что обмотки главных полюсов должны иметь изоляцию более высокого класса.
Из рис. 26 также следует, что при токе, например, 350 А температура обмотки якоря снижается от 105 до 75° С за 2 ч и затем при том же токе остается неизменной. Для обмоток возбуждения при том же токе температура от 150 до 110° С снижается в течение 3 ч.
Если расчеты нагревания и охлаждения показывают, что в какой-то промежуток времени, а следовательно, и на каком-то определенном отрезке пути обмотки (обмотка) тяговых двигателей будут перегреваться, то необходимо уменьшить нагрузку тяговых двигателей.
Мощность выпускаемых отечественными заводами тяговых двигателей непрерывно повышается в результате улучшения конструкции, применения новейших изоляционных и других материалов. Например, как уже отмечалось, мощность в часовом режиме тягового двигателя ТЛ-2К1, устанавливаемого на электровозах ВЛ 10, составляет 650 кВт, двигателя НБ-418К6 электровозов ВЛ80 различных индексов — 790 кВт, а двигателя ДПЭ-340 электровозов ВЛ19 — всего 340 кВт. Как видим, мощность двигателя ТЛ-2К1 почти в 2 раза, а двигателя НБ-418К6 — в 2,3 раза выше, чем двигателя ДПЭ-340.
Отметим, что увеличение мощности двигателей практически не отразилось на одном из важнейших показателей — массе двигателя, что особенно важно для условий тяги: масса этих двигателей составляет соответственно 4700, 4350 и 4280 кг.	,
46
Обычно, сравнивая двигатели, пользуются не абсолютной массой, а относительной, приходящейся на 1 кВт мощности.
Для тяговых двигателей ТЛ-2К1, НБ-418К5 и ДПЭ-340 относительная масса составляет соответственно 8,2; 6,2; 12,6 кг/кВт. Как видим, наилучший показатель массы у двигателя, устанавливаемого на электровозах ВЛ80 различных индексов. Это в некоторой степени объясняется следующим.
Двигатели электровозов постоянного тока соединяют по два последовательно. Они имеют номинальное напряжение на коллекторе 1500 В (при изоляции, рассчитанной на напряжение в контактной сети 3000 В), которое является вынужденным и, следовательно, не самым оптимальным. Двигатели электровозов переменного тока ВЛ80 работают при номинальном напряжении 950 В, являющемся оптимальным, что в значительной мере определяет возможность повышения их мощности.
Создание новых электроизоляционных материалов — лаков, различных полимеров, обладающих лучшими электроизоляционными свойствами и повышенной нагревостойкостью,— позволит еще более увеличить электрические, механические и тепловые нагрузки, воспринимаемые тяговыми двигателями электровоза.
ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
В заключение главы о тяговых двигателях отметим одно важное обстоятельство. В предыдущих параграфах было дано описание устройства двигателя, общее для электровозов постоянного и переменного тока, так как большинство их узлов конструктивно выполнено одинаково. 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 (сглаженным) в отличие от тока, выпрямленного установками электровозов переменного тока. Здесь ток не постоянный, а пульсирующий. Об этом более подробно будет рассказано в главе 5. Поэтому различают тяговые двигатели постоянного тока и пульсирующего тока. Конструктивными особенностями двигателей пульсирующего тока, как уже отмечалось, является наличие шихтованных вставок в остове и шихтованных дополнительных полюсов, большее число пар полюсов и наличие компенсационной обмотки.
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 выше частота переменного тока.
Кроме того, при прохождении переменного тока по обмоткам возбуждения и якоря в них возникают э. д. с. самоиндукции, что вызовет неодновременность изменения подводимого напряжения и проходящего тока. Это значит, что напряжение и ток будут неодновременно достигать максимального и минимального значений, неодновременно изменять свое направление. В результате часть электрической энергии в определенные периоды будет запасаться в обмотках двигателя, а затем в другие периоды возвращаться обратно в питающую цепь. При таком «перекачи
47
вании» энергии из сети в двигатель и из двигателя в сеть никакой полезной работы не совершается, наоборот, бесполезно загружаются электрические станции, линии электропередачи. При этом много энергии расходуется на нагревание проводов.
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.
Трансформаторная э. д. с. возникает под действием пронизывающего коммутируемые секции переменного магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения. Чтобы снизить трансформаторную э. д. с., уменьшают число витков секции, снижают магнитный поток возбуждения, увеличивая число полюсов. Для уменьшения переменной составляющей магнитного потока последовательно в цепь якоря тягового двигателя включают дополнительную индуктивность — сглаживающий реактор, а параллельно обмотке возбуждения — резистор (см. рис. 10).
Усилия ученых многих стран были направлены на создание надежного тягового двигателя переменного тока промышленной частоты, не имеющего указанных недостатков.
Электровозы с тяговыми двигателями, у которых остов, как и якорь, собран из отдельных листов стали и имеет 16 полюсов, на которых расположены специальные обмотки, эксплуатируются на некоторых дорогах за рубежом. Однако такие двигатели очень сложны в изготовлении и эксплуатации и необходимо их дальнейшее совершенствование.
Значительно проще решается вопрос, если понизить частоту питающего
тока. В этом случае коллекторный тяговый двигатель переменного тока по своим качествам приближается к двигателю постоянного тока. Резко улучшаются условия коммутации и в то же время сохраняется основное преимущество переменного тока — возможность его трансформации. За рубежом сравнительно широко применяется электрическая тяга на однофазном переменном токе пониженной частоты (162/3 и 25 Гц). Главный ее недостаток, как уже отмечалось,— необходимость сооружения специальных электростанций или сложных тяговых подстанций, оборудованных устройствами для понижения частоты тока.
Использование выпрямительных установок на электровозах переменного тока сняло проблему разработки коллекторных тяговых двигателей переменного тока промышленной частоты. По
явление управляемых полупроводников открыло широкие возможности для создания надежных преобразователей и тем самым позволило поставить вопрос об использовании асинхронных или вентильных двигателей для целей тяги.
Заканчивая рассказ об устройстве тягового двигателя, отметим, что коллекторные двигатели большой мощности представляют собой сложнейшее сочетание тысяч отдельных элементов (достаточно вспомнить хотя бы конструкцию коллектора). Подавляющая часть этих элементов должна быть изолирована друг от друга материалами, не обладающими абсолютной жесткостью. В то же время вся совокупность элементов двигателя должна противостоять всевозможным колебаниям и сотрясениям. Конструирование тяговых двигателей связано со значительными трудностями.
4 АППАРАТЫ
И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ТОКОПРИЕМНИКИ
Силовая цепь электровоза (см. рис. 9) соединяется через токоприемник с контактной сетью, в которую поступает электрическая энергия от тяговой подстанции. Контакт между токоприемником и контактным проводом осуществляется не в одной постоянной точке, как в стационарных установках; точка контакта перемещается вдоль провода1 вместе с локомотивом.
Основным условием надежной работы токоприемника, или, как говорят специалисты, высокого качества токосъема, является прежде всего постоянство нажатия токоприемника на контактный провод. Разумеется, чем больше нажатие, тем надежней скользящий контакт. Но, с другой стороны, большое нажатие увеличивает механический износ провода и контактного устройства токоприемника. В то же время чрезмерно малое нажатие приводит к искрению и даже к образованию электрической дуги, что вызывает электрический износ контактных поверхностей проводов и токоприемника и возникновение помех в различных линиях связи.
В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог
1 В действительности контактный провод расположен в плане не по оси пути, а зигзагообразно, что обеспечивает равномерный износ рабочих поверхностей полоза токоприемника по всей его длине. Поэтому токоприемник относительно контактного провода перемещается еще и в поперечном направлении.
Союза ССР нормальная высота подвески контактного провода над уровнем головки рельса принята равной 6600 мм на станциях и 6250 мм на перегонах. В исключительных случаях это расстояние в пределах искусственных сооружений, расположенных на путях станций, а также на перегонах с разрешения Министерства путей сообщения (МПС) может быть уменьшено до 5675 мм на участках переменного тока и до 5550 мм при постоянном токе. Высота подвески контактного провода во всех случаях не должна превышать 6800 мм. Следовательно, в самых неблагоприятных условиях токоприемник должен опускаться или подниматься на 6800—5550= = 1250 мм, обеспечивая при этом постоянный электрический контакт с проводом. Кроме того, чтобы создать безопасные условия для персонала, производящего осмотр или ремонт электровоза, необходимо иметь возможность опускать и вновь поднимать токоприемник до соприкосновения с контактным проводом.
Рассмотрим одну из конструкций токоприемника электровоза постоянного тока (рис. 27, а). Чтобы поднять токоприемник, машинист с помощью специального аппарата (клапана токоприемника) открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр (рис. 27, б). Поршень цилиндра, перемещаясь в крайнее левое положение, штоком поворачивает рычаг, с которым связана тяга и опускающая пружина. Тяга, перемещаясь влево, отходит от фасонного кронштей
на, и две растянутые поднимающие пружины поднимают нижнюю и верхнюю рамы, связанные шарнирно. Профиль фасонного кронштейна обеспечивает вначале быстрый подъем токоприемника, а в конце медленный для мягкого соприкосновения его с проводом.
Для того чтобы опустить токоприемник, цилиндр, наполненный 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 через тягу с роликом воздействует на фасонный кронштейн. Главные валы под действием усилия, приложенного к этому кронштейну, и силы тяжести подвижной части, преодолев сопротивление поднимающих пружин, повернутся и токоприемник опустится.
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 (без удара) опустилась на амортизаторы. Это обеспечива
ется соответствующим очертанием фасонного кронштейна и быстрым выпуском сжатого воздуха из цилиндра в начальный период. В некоторых конструкциях токоприемников вместо фасонного кронштейна используют редуктор, который изменяет давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него, в зависимости от положения рам.
Основание токоприемника устанавливают на изоляторах. Обычно на электровозах имеется два электрически соединенных токоприемника. Как правило, в процессе работы поднят задний из них по направлению движения локомотива.
Полозы токоприемника специальным механизмом, называемым кареткой (см. рис. 27, 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. Для этого применены пружины и шарнирные соединения.
Рис. 27. Общий вид токоприемника восьмиосного электровоза постоянного тока (а) и его кинематическая схема (б)
50
К рабочим поверхностям полозов крепят сменные контактные пластины — контактные вставки или накладки. Они должны иметь малое электрическое сопротивление, быть износостойкими и по возможности меньше изнашивать контактный провод. В современных токоприемниках применяют угольные вставки, медные и металлокерамические накладки.
Нажатие полозов токоприемника на контактный провод в среднем составляет 98—-128 Н (10—13 кгс). Качество токосъема будет высоким, если нажатие полозов на контактный провод независимо от высоты его подвески не изменяется. Это обеспечивается применением шариковых и игольчатых подшипников, снижением массы подвижных частей путем использования прочных тонкостенных труб.
РАЗЪЕДИНИТЕЛИ
И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
В тех случаях, когда персонал осматривает электрическое оборудование электровоза, для обеспечения безопасности работающих опускают токоприемник. Чтобы исключить случайную подачу напряжения, например, в случае самопроизвольного подъема токоприемника или обрыва контактного провода над токоприемником в силовую цепь включают разъединители QS (см. рис. 9) — по одному на каждый токоприемник. Разъединитель (рис. 28) отключают вручную из кузова электровоза.
Нарушение изоляции и возникновение в связи с этим короткого замыкания, а также недопустимая перегрузка в цепи вызывают очень большой ток, который может привести к серьезным повреждениям оборудования. Токи короткого замыкания настолько велики, что
51
Рис. 28. Разъединитель
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 площадь сечения, меньшую, чем любой проводник в защищаемой цепи.
Защитить плавким предохранителем силовую цепь электровоза, рассчитанную на большие токи, невозможно. При коротком замыкании ток растет очень быстро (рис. 29), а плавкая вставка сгорает не сразу. Она обладает так называемой тепловой инерцией. 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 разры-
Рис. 29. Изменение постоянного тока при коротких замыканиях цепи
вать 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, нажав кнопку БВ (рис. 30, а), замыкает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. Кнопка остается включенной; она не снабжена пружиной, возвращающей ее в первоначальное положение. Затем машинист кратковременно нажимает на кнопку Возврат БВ, контакты которой замыкают цепь катушки электропневматического вентиля (рис. 30, б). Под действием поля, создаваемого электромагнитом вентиля, его якорь перемещается и открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр привода быстродействующего выключателя. Заметим, что электропневматический вентиль называют включающим, если при прохождении тока через его катушку клапаны соединяют аппарат (в данном случае цилиндр) с источником сжатого воздуха.
Сжатый воздух давит на поршень в цилиндре привода быстродействующего выключателя и передвигает его
вправо. 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. Это положение рычагов быстродействующего выключателя показано на рис. 30, а. Контактный и якорный рычаги имеют в точке А шарнирное соединение. Когда ролик штока под действием перемещающегося поршня начинает нажимать 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 рядом с осью Б. После этого оба рычага поворачиваются вместе вокруг оси Б. Рычаги поворачиваются до тех пор, пока якорь не будет прижат к полюсам магнитопровода.
Однако в этот момент подвижной контакт, находящийся в верхней части рычага якоря, отойдет от упора, но еще не коснется неподвижного контакта и, следовательно, силовая цепь не будет замкнута. Сколько бы времени машинист не продолжал нажимать на кнопку Возврат БВ, подвижной и неподвижный контакты не замкнутся, так как ролик штока, упираясь в контактный рычаг, не даст ему повернуться относительно точки А по часовой стрелке в крайнее правое положение и замкнуть силовую цепь электровоза.
Это сделано не случайно. Предположим, что включение быстродействующего выключателя производится при коротком замыкании в силовой цепи. Даже если машинист сразу заметит, что в силовой цепи возникла неисправность, пройдет некоторое время, пока он отпустит кнопку и подвижной контакт под действием выключающей пружины начнет отходить от неподвижного. Скорость движения подвижного контакта будет
52
сравнительно небольшой, 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 окончательно его контакты замыкались только после того, как машинист отпустит кнопку Возврат БВ и она своими контактами разорвет цепь электромагнита электропневматического вентиля.
Катушка электромагнита вентиля будет обесточена и полость цилиндра привода соединится с атмосферой. Сжатый воздух выйдет из цилиндра, и пружина, расположенная внутри него, переместит 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 маг
нитным потоком удерживающей катушки к полюсам ее магнитопровода. Наоборот, под действием выключающей пружины контактный рычаг поворачивается относительно точки Д, подвижной и неподвижный контакты замыкаются. Теперь ток из контактной сети через токоприемник, дугогасящую катушку, неподвижный и подвижной контакты, гибкий шунт, размагничивающий виток, навитый на стальной сердечник, пойдет в силовую цепь к тяговым двигателям.
Магнитный поток Фраз, создаваемый размагничивающим витком, направлен встречно потоку Фуд, создаваемому удерживающей катушкой в левой части магнитопровода, и согласно потоку, создаваемому этой же катушкой в правой части. При аварийном режиме в результате резкого увеличения тока через размагничивающий виток, включенный последовательно в силовую цепь, встречный магнитный поток настолько возрастет, что поток Фуд не сможет удержать
Рис. 30. Принципиальная схема быстродействующего выключателя (а) и электропневматический вентиль включающего типа (б):
1 — электропневматический вентиль; 2— цилиндр привода; 3 — включающая пружина; 4 — упор; 5 — дугогасительные рога; 6 — дугогасительная катушка; 7 — якорь; 8 — размагничивающий виток; 9— магнитопровод; 10 — удерживающая катушка; 11— гибкий шунт; 12 — контактный рычаг; 13 — якорь вентиля; 14 — электромагнит вентиля; 15 — клапаны
53
якорь. Под действием выключающей пружины якорь оторвется от магнитопровода, и подвижной контакт с большой скоростью отойдет от неподвижного.
Размагничивающее действие витка усиливается при наличии индуктивного шунта, включенного параллельно ему. Поскольку индуктивное сопротивление шунта больше индуктивного сопротивления размагничивающего витка, при резком нарастании тока большая его часть проходит через размагничивающий виток, вызывая резкое увеличение Фраз и уменьшение электромагнитных сил, притягивающих рычаг якоря, что ведет к снижению времени выключения БВ.
В момент разрыва цепи между контактами возникает электрическая дуга. Ее необходимо погасить как можно быстрее. Если допустить длительное горение дуги, то по цепи значительное
о
&
Стальная пластина
Съемные полюсы
Магнито-провод дугогасительной катуш- ни
Индуктивный шунт
Дугогасительная  камера э
Регулировочные винты
Дугогасительная катушка
Удерживающая катушка
Рис. 31. Общий вид быстродействующего выключателя
время будет проходить ток короткого замыкания или перегрузки, что может вызвать серьезные повреждения электрического оборудования. Чтобы быстрее погасить дугу, необходимо резко увеличить электрическое сопротивление в ее цепи. Для этого следовало бы не только мгновенно развести контакты, но и удалить их друг от друга на возможно большее расстояние. Обычно в электрических аппаратах электровозов вследствие ограниченных размеров развести контакты на большое расстояние не представляется возможным. Однако можно удлинить дугу, выдувая ее за пределы контактов. В большинстве электрических аппаратов электровозов это осуществляют с помощью так называемого магнитного дутья.
Электрическая дуга выталкивается магнитным полем, создаваемым специальной дугогасительной катушкой. Ее витки включают в цепь последовательно с контактами (см. рис. 30, а). Следовательно, по катушке проходит разрываемый выключателем ток. Для того чтобы как можно дальше отбросить дугу, катушку дополняют стальными пластинами (полюсными наконечниками), расширяя тем самым область действия магнитного поля катушки.
Чтобы контакты не оплавлялись, рядом с ними устанавливают дугогасительные рога, на которые выдувается дуга. Затем она перемещается в верхнюю часть разведенных рогов потоком нагретого дугой воздуха, где и гасится. Гашению дуги во многом способствует интенсивное ее охлаждение. Поэтому рога закрывают дугогасительной камерой (рис. 31) 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. Устраивают
54
также и поперечные перегородки, способствующие удлинению дуги.
Быстродействующий выключатель регулируют на определенный ток /уст в защищаемой цепи, по достижении которого он срабатывает. Этот ток называют уставкой быстродействующего выключателя. После того как ток достигнет значения уставки (см. рис. 29), через время tc, которое называют собственным временем выключателя, начнут расходиться контакты. Собственное время, например, для БВ, установленного на электровозе ВЛ 10, составляет 0,0015—0,003 с, и ток не успевает достигнуть опасного значения. Уставку выключателя регулируют с помощью специальных винтов (см. рис. 31), которые ввинчивают в магнитопровод удерживающей катушки или вывинчивают из него, изменяя тем самым площадь сечения магнитопровода, а следовательно, и сопротивление прохождению магнитного потока удерживающей катушки.
Ток уставки БВ зависит от мощности локомотива; например, для электровоза ВЛ 10 он равен 3100 А с допустимыми отклонениями в сторону увеличения на 100 А и уменьшения на — 50 А. С учетом отклонений ток уставки записывают так: /уст= ЗЮО±5о° А.
ПУСК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. пусковые’ реостаты
И ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ КОНТАКТОРЫ
Казалось, что может быть проще пуска электрического двигателя, в том числе и тягового? Стоит только, например, быстродействующим выключателем подключить двигатель к источнику электрической энергии, и якорь его начнет вращаться. Но в действительности все не так просто. В момент пуска якорь двигателя неподвижен и в обмотке его не индуцируется э. д. с., уравно
55
вешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от значения приложенного напряжения (/с и сопротивления гЛ обмоток двигателя. Это сопротивление невелико. Так, для тягового двигателя электровоза ВЛ 10 оно при температуре 20° С составляет 0,025 4- 0,0365 4-4-0,0317 = 0,0932 Ом (сумма сопротивлений обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря). На электровозах постоянного тока всегда соединены последовательно как минимум два двигателя. При подключении к контактной рис. 9, через
/=-^ =
2гд
сети, как показано на их обмотки пойдет ток
-2^32 ~ 16000 А'
На такой ток, как мы уже знаем, и двигатели, и оборудование электровоза не рассчитаны. Быстродействующий выключатель на электровозе ВЛ 10 отрегулирован на ток 3100 А, и поэтому в момент пуска он разорвет цепь тяговых двигателей. Чтобы ограничить пусковой ток, все двигатели электровоза перед пуском соединяют последовательно. При этом к двигателю приложено напряжение
~ ПД,
где пл — число последовательно соединенных двигателей в цепи электровоза.
Кроме того, для ограничения тока в цепь дополнительно вводят пусковой реостат, сопротивление которого можно регулировать.
При пуске с заданным и неизменным пусковым током 1П напряжение Ua, подводимое к каждому из последовательно соединенных двигателей, уравновешивается э. д. с. и падением напря
жения в реостате и обмотках тяговых двигателей:
(Уд ==£+/„/? + /пгд.
Если скорость равна нулю, то э. д. с. также равна нулю, поскольку Е= c<bv, и максимальное сопротивление пускового реостата R определяется заданным значением пускового тока:
R =	- гл.	(8)
/ п^д
С увеличением скорости движения в тяговых двигателях будет наводиться возрастающая э. д. с. При этом ток двигателей, сила тяги и, как следствие, ускорение начнут уменьшаться. Для обеспечения примерно постоянного ускорения нужно уменьшать сопротивление реостата так, чтобы ток двигателей и касательная сила тяги оставались постоянными. При больших мощностях тяговых двигателей и значительных токах трудно осуществить плавное реостатное регулирование. Поэтому применяют ступенчатое: выключают отдельные секции реостата с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты К1 и К2 индивидуальных контакторов показаны на рис. 9. Если замкнуть контакты К1 кон-
Позиции	Контакторы				Как соединены секций
	1	2	3	4	
I	1	—	—	—	а+б+в
И	1	2	—	—	б+В
Ш	—	2	3	—	В
л	—	—	J		(at б) IIВ
I	—	2	3	4.	Ш
и	/	2	3	4	—
Рис. 32. Схема пускового реостата и таблица замыкания контактов контакторов
тактора, то одна секция пускового реостата будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов К2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.
Вполне понятно, что для обеспечения более или менее плавного пуска и тем самым уменьшения колебаний тока двигателя (силы тяги) следует сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако при этом необходимо иметь большое число контакторов, что усложняет силовую цепь.
Ступени пускового реостата рассчитывают исходя из наибольшего допустимого тока тяговых двигателей. Ток, при котором выключается очередная секция пускового реостата, определяют исходя из так называемого коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального /птах до минимального 1Пmin значения. В расчетах применяют среднее арифметическое 1П этих значений.
Кроме рассмотренных ступеней реостата, предусматривают также ступени, называемые маневровыми. Они позволяют в начале пуска увеличивать силу тяги по возможности плавно, без толчков, особенно при трогании тяжелых составов. К счастью, поезд не представляет собой жестко связанного целого: сцепные приборы перед троганием не натянуты до предела и всегда обладают некоторой упругостью. Сопротивление реостата R выбирают большим, чем рассчитанное по формуле (8), чтобы обеспечить в момент трогания небольшой ток, а следовательно, и малую силу тяги для плавного натяжения сцепных приборов. Затем сопротивление R постепенно уменьшают, при этом
ток и сила тяги соответственно растут. Число маневровых ступеней, предшествующих пусковым, на электровозах равно четырем — восьми.
Большое число ступеней реостата при минимальном числе контакторов можно получить, используя различные комбинации соединений его секций. Для того чтобы знать, на какой позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции реостата включены и каким образом, составляют таблицу замыкания контакторов (рис. 32)*. Так, если замкнуть контактор К1, при разомкнутых остальных контакторах секции а, б и в будут включены последовательно. Замкнув контакты контактора К2, выключают секцию а; при замкнутых контактах контактора КЗ в силовую цепь введена только секция в.
Включив контактор К4 и предварительно выключив контакторы К1 и К2, что не связано с разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в, т. е. получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакты контакторов К2, КЗ, К4, соединяют параллельно секции айв, образуя еще одну пусковую ступень, и, наконец, включив все контакторы, выводят пусковой реостат полностью. Таким образом, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового реостата.
Пусковые реостаты собирают из отдельных резисторов, объединяя их в так называемые ящики (рис. 33). Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим электрическим сопротивлением.
Когда выведены все ступени реостата, на каждый из восьми последова-
* Здесь и далее для упрощения контакты на схемах показаны в большинстве случаев без дуго-гашения.
Рис. 33. Ящик пусковых фехралевых резисторов
тельно соединенных тяговых двигателей приходится напряжение 3000:8= 375 В, а на шестиосных электровозах 3000:6= = 500 В. В этом случае электровоз работает на ходовой (безреостатной) характеристике, подобной приведенной на рис. 11,6.
В связи с этим вернемся к рис. 5, где показано, что от точки 0 до точки О' скорость возрастает по прямой, т. е. поезд движется с равномерным ускорением. Это означает, что машинист уменьшает сопротивление реостата, поддерживая одно и то же значение пускового тока. От точки 0' и далее до точки А движение происходит с выключенным реостатом по ходовой характеристике.
В процессе разгона поезда электровоз работает на реостатных характеристиках (позициях). Время движения с включенными ступенями реостата ограничено его нагревом. Кроме того, с увеличением этого времени возрастают и потери электрической энергии. Каково же соотношение расходов энергии, затрачиваемой на тягу поездов и на потери в реостате от начала до конца разгона поезда?
Чтобы ответить на этот вопрос, отложим в прямоугольных осях координат (рис. 34, а) по оси ординат в выбранном масштабе напряжение контактной сети
57
Рис. 34. Распределение напряжения между тяговыми двигателями и пусковым реостатом при одноступенчатом разгоне электровоза (а) и трехступенчатом (б) для восьмиосного электровоза
Uc (точка А), по оси абсцисс — время пуска tB (точка Б). С достаточной степенью точности можно считать, что пуск электровоза происходит при неизменном токе /п; тогда сила тяги также постоянна, а ускорение а изменяется незначительно и может быть принято неизменным. В соответствии с этим скорость движения в процессе пуска будет изменяться во времени по закону v= at, а э. д. с. двигателей Е= c<$v, т. е. пропорциональна скорости, а значит, времени.
Из точек А и Б проведем перпендикулярные осям линии до пересечения их в точке В. В момент пуска (t— 0) напряжение контактной сети равно сумме падений напряжения в обмотках тяговых двигателей и в реостате, так как при v= 0 э. д. с. двигателей Е= 0. При этом основная часть напряжения Uc падает в реостате ввиду малости сопротивления обмоток двигателей. По оси ординат отложим падение напряжения в обмотках двигателя (точка Г). В конце пуска реостат полностью выведен из цепи тяговых двигателей и напряжение контактной сети уравновешивается э. д. с. двигателей и падением напряжения в их обмотках. Так как ток 1„ в процессе
58
пуска почти неизменен, то падение напряжения в обмотках двигателей в конце пуска будет таким же, что и в начале его. От точки В отложим значение этого падения напряжения — отрезок ВД. Тогда отрезок ДБ будет соответствовать э. д. с. двигателей в конце пуска. В области ОДВГ находятся значения напряжения на участках силовой цепи в каждый момент времени пуска электровоза. Если значения напряжений умножить на ток /п, получим в соответствующем масштабе мощности, а умножив их на время пуска t„, найдем расход электроэнергии.
Площадь четырехугольника ОАВБ соответствует в определенном масштабе расходу электроэнергии на пуск тяговых двигателей. Площадь треугольника ВГА характеризует потерю энергии в реостате, а равновеликая площадь треугольника О ДБ — электромагнитную энергию двигателя. Площадь параллелепипеда ОГВД соответствует расходу энергии на нагревание обмоток двигателей. Так как потери энергии /„гд сравнительно невелики, можно считать, что при пуске половина электрической энергии расходуется на создание электромагнитной энергии двигателей и половина теряется в реостате.
При постоянном последовательном или параллельном соединении тяговых двигателей электровоза (см. с. 61) потери в реостатах аналогично рассмотренному случаю будут равны половине подведенной энергии. Если же переключить двигатели в процессе пуска при тех же пусковых токах /„ и времени пуска tR с последовательного на параллельное соединение, доля потерь в реостате снизится. На восьмиосных электровозах постоянного тока, работающих при напряжении в контактной сети 3000 В, применяют три способа соединения тяговых электродвигателей: последовательное (все восемь двигателей вклю
чены последовательно), последовательно-параллельное (образуются две параллельные цепи, каждая из которых содержит четыре последовательно соединенных двигателя) и параллельное (образуются четыре параллельные цепи по два последовательно соединенных двигателя в каждой). Диаграмма распределения напряжения при трехступенчатом пуске восьмиосного электровоза приведена на рис. 34, б. Электрические потери в обмотках электродвигателей приняты равными нулю в силу их относительной малости. Путем рас-суждений, аналогичных приведенным при построении диаграммы одноступенчатого пуска, можно показать, что площадь ОВБ соответствует полезному расходу энергии, т. е. электромагнитной энергии двигателя.
Площадь треугольника Оа'в' соответствует потерям энергии в реостате при последовательном соединении тяговых двигателей. По мере разгона электровоза потери в реостате снижаются до нуля. Напряжение [/д, подводимое к каждому электродвигателю, в конце первой пусковой ступени при полностью выведенном реостате равно 1/с/8 (точка в').
Для продолжения разгона проводится перегруппировка двигателей (о которой будет рассказано подробнее в следующем параграфе) с последовательного на последовательно-параллельное соединение и одновременно в цепь двигателей вводится, а затем постепенно выводится пусковой реостат. Площадь треугольника в'а"в" соответствует потерям в реостате при последовательно-параллельном соединении тяговых двигателей. Напряжение U д, подводимое к каждому электродвигателю, в конце разгона на второй пусковой ступени равно t/c/4 (точка в" на рис. 34, б). Движение электровоза на каждой из этих ступеней происходит
с постоянным током /п и длится четвертую часть полного времени разгона при условии равномерного ускорения.
Дальнейший разгон проводится на параллельном соединении тяговых двигателей с тем же пусковым током /п; в цепь тока включен реостат, который по мере увеличения скорости выводится. Площадь треугольника в"а"’В соответствует потерям в реостате на третьей ступени разгона. Напряжение, подводимое к тяговым двигателям, в конце пуска становится равным £/с/2 (точка В на рис. 34, б). Разгон на третьей ступени занимает половину полного времени разгона.
Таким образом, сумма площадей треугольников Оа'в'-f- e'a"e-j- в"а'"В характеризует потери в пусковых реостатах. Эти потери при трехступенчатом пуске восьмиосного электровоза примерно в 2,7 раза меньше, чем при одноступенчатом. Следовательно, перегруппировка тяговых двигателей в процессе пуска позволяет уменьшить потери в реостате.
Включение, изменение сопротивления и выключение пускового реостата производят с помощью индивидуальных электропневматических контакторов. Познакомимся с их устройством и действием.
В таком контакторе при замыкании цепи катушки электромагнитного вентиля включающего типа (рис. 35) открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр контактора. Поршень 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 закончится. Подвижной контакт и рычаг соединены шарнирно. Между их выступа-
59
Рис, 35. Схема индивидуального электропневма-тического контактора
ми находится притирающая пружина. После соприкосновения контактов поршень вместе со стержнем продолжает двигаться вверх и подвижной контакт перекатывается, слегка проскальзывая по неподвижному. Благодаря этому поверхность контактов очищается от образовавшихся окислов.
Чтобы выключить контактор, разрывают цепь катушки электромагнитного вентиля. При этом пружина возвращает клапаны вентиля в исходное положение, нижняя полость цилиндра сообщается с атмосферой, поршень под действием выключающей пружины движется вниз и контакты размыкаются.
Рис. 36. Схема электромагнитного контактора
Контакторы с электропневматиче-ским приводом используют в цепях с большими токами, где требуется надежный контакт.
В цепях со сравнительно малыми токами применяют электромагнитные контакторы. Для того чтобы включить такой контактор, замыкают цепь его включающей катушки (рис. 36); под действием магнитного поля, создаваемого ею, якорь притягивается к сердечнику и, поворачиваясь вокруг оси, замыкает неподвижный и подвижной контакты. Одновременно сжимается выключающая пружина. После замыкания контактов ток проходит через дугогасительную катушку, контакты и гибкий шунт к нагрузке.
Индивидуальные контакторы, которые осуществляют переключение в силовой цепи под нагрузкой, оборудованы дугогасительными устройствами.
Катушка электромагнитного вентиля электропневмэтического контактора (см. рис. 35) и включающая катушка электромагнитного контактора питаются от цепи низкого напряжения. Включение и выключение контакторов и, следовательно, все переключения в силовых цепях производятся замыканием и размыканием цепей питания катушек привода. Таким образом, управление электровозов сводится к переключениям в цепях управления, выполняемым контроллером машиниста (КМ), о котором будет рассказано в главе 7.
ПЕРЕГРУППИРОВКА ДВИГАТЕЛЕЙ.
ГРУППОВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Чтобы увеличить скорость движения, нужно повысить напряжение, подводимое к двигателю. Это достигается перегруппировкой тяговых двигателей в силовой цепи электровоза.
60
Переключая двигатели с одного соединения на другое, можно получить на каждом из них три значения напряжения при выведенном реостате:
Электровоз шести- восьмиосный осный
Напряжение, В, при соединении:
последовательном (С)	500	375
последовательно-парал-
лельном (СП) ....	1000	750
параллельном (П) . .	1500	1500
Буквы в скобках — это условные обозначения соединения двигателей. В период эксплуатации первых электровозов вместо термина «последовательное соединение» использовали «сериесное», отсюда буквы С в обозначениях. Строго говоря, высшее (по напряжению) соединение двигателей не является чисто параллельным, так как в каждую ветвь включено последовательно два двигателя.
Переключение тяговых двигателей с одного соединения на другое называют переходом. Наиболее просто переход можно осуществить следующим образом: отключить тяговые двигатели от контактной сети, произвести необходимые переключения (перегруппировку двигателей) и снова подключить их к контактной сети. Сила тяги сначала снизится до нуля, а затем при включении тяговых двигателей по новой схеме возникнет ее бросок. Поэтому такой переход на магистральных электровозах не применяют.
Переходы с одного соединения тяговых двигателей на другое осуществляют: коротким замыканием части двигателей; параллельным подключением к переключаемым двигателям резисторов; по схеме моста; с помощью вентильного перехода. При всех перечисленных способах перегруппировки тяговых двигателей теряется часть силы тяги, но в разной степени.
В процессе перехода коротким замыканием в обмотках якоря двигателей продолжает индуцироваться э. д. с. вследствие остаточного магнетизма, и двигатели кратковременно работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент. На современных восьмиосных электровозах переход с последовательного на последовательно-параллельное соединение осуществляют замыканием части двигателей секциями пускового реостата, благодаря чему снижается генераторный ток (тормозной момент). На электровозах ВЛ 11 в цепь отключенных двигателей вместо резисторов включены полупроводниковые диоды — приборы с односторонней электрической проводимостью. Это обеспечивает размыкание цепи для генераторного тока.
Операции перехода осуществляют с помощью аппаратов, называемых групповыми переключателями, которые называют еще групповыми контакторами, или кулачковыми переключателями. В них имеется один общий привод для нескольких контакторов. Собирают групповые переключатели из поставленных в ряд контакторных элементов. Контакторные элементы такого типа называют механическими, или кулачковыми, так как включение или отключение их осуществляется механическим воздействием кулачкового вала переключателя.
В отличие от индивидуальных групповые контакторы используют в цепях, где необходимо производить цикл переключений в определенной последовательности, в том числе и для переключений двигателей с одного соединения на другое.
На восьмиосных электровозах для перехода с последовательного соединения на последовательно-параллельное, осуществляемого замыканием четырех тяговых двигателей на секции пуско-
61
Рис. 37. Контакторный элемент (а) и пневматический привод группового переключателя восьмиосного электровоза (б)
вого реостата, применены групповые переключатели, имеющие четыре контакторных элемента, 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, что приводит к замыканию контактов контакторных элементов; впадины позволяют контактам размыкаться.
Последовательность замыкания и размыкания контактов группового переключателя определяется очертанием кулачков и взаимным их расположением на валу. Пневматический привод (рис. 37, б) включает в себя цилиндр, два поршня, соединенных зубчатой рейкой, два электромагнитных вентиля В1, В2 и воздухопроводы, подводящие к приводу сжатый воздух. Чтобы управлять подачей сжатого воздуха, используют электропневматические вентили. Вентиль В2 включающего типа, В1 — выключающего. Выключающий вентиль отличается от включающего только расположением клапанов. При обесточенной катушке выключающий вентиль открывает доступ сжатому воздуху в по
62
лость 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. Поршни перемещаются влево, вместе с поршнями перемещается зубчатая рейка, вращающая зубчатое колесо и кулачковый вал. Контакторные элементы, контакты которых включены в силовую цепь, производят соответствующие переключения, необходимые для перехода с последовательного на последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей.
Перед тем как начать перегруппировку двигателей, включают в их цепь секции Rl и R2 пускового реостата, ра-замкнув контакты индивидуальных контакторов 1 и 2 (рис. 38, а). Это необхо
димо в связи с тем, что после отключения четырех двигателей из восьми, включенных последовательно, сопротивление обмоток двигателей и сумма, э. д. с. в обмотках якорей уменьшатся в 2 раза, что вызовет резкий бросок тока и срабатывание защиты. Кроме того, необходимо подготовить включение резистора R2 для уменьшения тока, генерируемого двигателями V—VIII после замыкания контакторного элемента 4. Поэтому резистор R2 включен между тяговыми двигателями IV и V.
Затем включаются катушки вентилей В1 и В2 группового переключателя (см. рис. 37, б). Поршень, перемещаясь справа налево, поворачивает вместе с зубчатым колесом кулачковый вал привода по часовой стрелке. Выступы и впадины кулачков расположены так, что сначала включаются контакты контакторного элемента 4 (рис. 38, б). Вследствие этого двигатели V—VIII замыкаются на резистор R2.
При дальнейшем повороте кулачкового вала выключается контакторный элемент 3, в результате чего остаются подключенными к контактной сети тяговые двигатели /—IV вместе с резистором R1, а двигатели V—VIII отключаются от нее (рис. 38, в). Затем включается контакторный элемент 5 группового переключателя ПкГ, тяговые двигатели V— VIII с резистором R2 подключаются параллельно двигателям I—IV и к контактной сети (рис. 38, г).
Переход завершается включением индивидуального контактора 6, соединяющего параллельно резисторы R1 и R2 (рис. 38, д). Это позволяет ввести общий реостат R1 и R2 в две параллельные цепи тяговых двигателей. Затем, осуществляя различные соединения секций реостата с помощью индивидуальных контакторов, постепенно уменьшают его сопротивление до нуля.
Переход на параллельное соединение двигателей в принципе не отличается от перехода на последовательнопараллельное, только теперь к двум парам тяговых двигателей подключаются раздельно и параллельно секции пускового реостата. Переход осуществляется на восьмиосных электровозах двумя групповыми переключателями. Устройство и действие их такие же, как и у описанного выше. Разница заключается лишь в том, что вместо четырех каждый
Рис. 38. Схемы, поясняющие переход с последовательного соединения тяговых двигателей на поел едовател ь но-п а раллельное
63
Рис. 39. Схема, поясняющая переход с последовательного соединения тяговых двигателей на параллельное способом моста
из них имеет по шесть контакторных элементов.
На отечественных шестиосных электровозах используют один групповой переключатель (вместо трех у восьмиосных), осуществляющий в 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 зубчатой рейкой или двумя рейками, которые зубчатым колесом поворачивают кулачковый вал. Вал фиксируется в трех положениях в соответствии с тремя соединениями двигателей.
При переходе по схеме моста, применяемом на пассажирских электровозах ЧС1 и ЧСЗ, электровозе двойного питания ВЛ82М, нужно иметь два рео-
Рис. 40. Схемы, поясняющие переключения тяговых двигателей с последовательного соединения на параллельное с помощью вентильного перехода	\
стата с равными сопротивлениями (рис. 39). Если их выводы включить накрест к точкам а и б (участок а—б называют мостом), ток не пойдет через контактор К и его можно отключить, не разрывая цепи.
После отключения контактора двигатели будут соединены параллельно, но ток, проходящий по их обмоткам, останется прежним, так как в цепь каждого двигателя включена секция резисторов. Следовательно, сила тяги электровоза при этом не изменится. Выводя постепенно секции резисторов R, переходят на ходовую безреостатную характеристику параллельного соединения. Токи в параллельно включенных резисторах и двигателях могут быть равны только при строго определенных скоростях и напряжении в контактной сети. В других случаях ток в мосте а—б не будет равен нулю.
Электровоз ВЛ11 может работать в составе трех н четырех секций; на нем предусмотрено три соединения двигателей: последовательное, последовательно-параллельное и параллельное. При последовательном соединении в трехсекционном варианте тяговые двигатели всех секций соединены последовательно (на каждый двигатель приходится 250 В). Если электровоз состоит из четырех секций, включаются последовательно тяговые двигатели двух секций. На последовательно-параллельном соединении четыре тяговых двигателя каждой секции соединены последовательно, на параллельном соединении — параллельно, по два двигателя в каждом плече.
Предусмотрена возможность работы одной секции. В этом случае с последовательного соединения четырех двигателей на параллельное (по два в каждом плече) двигатели переключают, применяя вентильный переход. При 2*
64
этом упрощается операция перегруппировки тяговых двигателей, а время переключения уменьшается. Принцип вентильного перехода для двух группировок двигателей пояснен на рис. 40.
Сначала при выведенных пусковых реостатах R1 и R2 (замкнуты контакторы 1, 2, 3, 4, 5, 6) и последовательном соединении двигателей (контакторы 7 и 9 разомкнуты) выключается контактор 8 и в цепь вводится диод VD. Затем после отключения контакторов 3, 4, 5 в цепь двигателя вводятся параллельно включенные реостаты R1 и R2. Чтобы соединить двигатели параллельно, включают контакторы 7 и 9. Диод VD при этом обеспечивает разделение параллельных цепей двигателей. Контакторы 4, 7, 8 и 9 выполняют групповыми. При одновременном замыкании контакторов 7 и 9 снижение тока и силы тяги в процессе перегруппировки связано только с предварительным введением реостатов. В продолжительном режиме тяги на последовательном соединении двигателей диод VD шунтирован контактором 8.
Для обратного перехода с параллельного соединения на последовательно-параллельное и, наконец, на последовательное, что необходимо в случае уменьшения скорости поезда, прекращают в определенной последовательности питание катушек группового переключателя. Кулачковые валы под воздействием перемещающихся поршней поворачиваются в противоположном направлении, производя соответствующие переключения.
Таким образом, используя различные группировки двигателей, можно получить несколько ходовых характеристик. Однако этих ходовых характеристик для обеспечения экономичной работы локомотива, безусловно, мало. Что еще .можно сделать для расширения диапазона изменения его скоростей?
РЕЖИМ ОСЛАБЛЕННОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ИНДУКТИВНЫЕ ШУНТЫ
Как уже было сказано, регулировать частоту вращения тяговых двигателей при неизменном подводимом напряжении можно, изменяя магнитный поток возбуждения тяговых двигателей.
В двигателях последовательного возбуждения, у которых ток якоря проходит и по обмотке возбуждения, возможно только уменьшать магнитный поток, что принято называть ослаблением возбуждения1 двигателей. В этом случае при той же частоте вращения увеличивается ток якоря, а следовательно, и мощность, потребляемая из контактной сети. Ослабление возбуждения2 осуществляют двумя способами: отключением части витков обмотки возбуждения (рис. 41, а) и включением параллельно ей регулируемого резистора (рис. 41, б).
Первый способ, ввиду того что усложняется конструкция тяговых дви-
1	До введения в действие ГОСТ 19350—74 «Электрооборудование электрического подвижного состава. Термины и определения» употребляли термин «ослабление поля».
2	Термин «ослабление возбуждения» не отражает существа процесса. При отключении части витков или шунтировании обмотки возбуждения ток в якоре двигателя возрастет, иначе нарушится равенство (3) (см. с. 29), 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 прежнему значению вследствие малости сопротивления гд. Фактически осуществляется не ослабление возбуждения, а увеличение тока якоря.
Рис. 41. Слечн, поясняющие способы ослабления магнитного потока полюсов
3—3543
65
гателей, не нашел применения на электровозах. Для осуществления его необходимо вывести дополнительные провода от обмотки возбуждения и обязательно отключить от нее часть витков, а не шунтировать их. Если этого не сделать, в шунтированных витках при изменении тока будет наводиться э. д. с., препятствующая изменению основного тока возбуждения. Поэтому включая контактор 2 (см. рис. 41, а), отключают контактор 1.
На электровозах включают резистор параллельно обмотке возбуждения. При этом сравнительно просто получить несколько ступеней ослабленного возбуждения, изменяя сопротивление шунтирующего резистора, для чего его разбивают на несколько секций. Включают
и отключают секции таких резисторов, как и пусковых, индивидуальными контакторами. При включении контактора / (см. рис. 41, б) параллельно обмотке возбуждения в цепь вводится полностью весь резистор. Замкнув контактор 2, а затем при необходимости контактор 3, ступенями уменьшают сопротивление резистора.
На отечественных электровозах применяют от двух до четырех ступеней ослабленного возбуждения. Осуществлять ослабление возбуждения машинист может при последовательном, последовательно-параллельном и параллельном соединениях двигателей. Таким образом, при трех ходовых характеристиках с полным возбуждением (ПВ) и четырех ступенях ослабления возбуж
дения (OBI, ОВ2, ОВЗ, ОВ4) электровоз имеет 15 ходовых безреостатных позиций. Для каждой ходовой позиции строится своя тяговая характеристика. Так, на рис. 42 показаны в качестве примера тяговые характеристики электровоза ВЛ 10, соответствующие 15 ходовым позициям при напряжении в контактной сети 3000 В.
Развиваемая сила тяги электровоза ограничивается прежде всего сцеплением колес с рельсами. Проектируя и изготовляя локомотив, устанавливают так называемую конструкционную скорость электровоза, т. е. максимальную скорость, при которой не нарушается его нормальная работа. Для электровоза ВЛ 10 конструкционная скорость равна 100 км/ч. Поэтому на тяговых характеристиках электровоза нанесено ограничение по скорости 100 км/ч при параллельном соединении.
Как видно из рис. 41, б, последовательно с резистором включен так называемый индуктивный шунт ИШ. Необходимость его применения вызывается следующим. Кратковременно контактная сеть может быть отключена от тяговой подстанции; возможны также кратковременные отрывы токоприемника от контактного провода, после чего тяговые двигатели вновь включаются на полное напряжение. Ток в якорях двигателей при этом резко нарастает. Однако обмотки возбуждения двигателей обладают большим индуктивным сопротивлением, и поэтому большая часть тока идет через резистор, а меньшая — через обмотки возбуждения. Из-за этого увеличение магнитного потока и э. д. с. в обмотке якоря происходит со значительным запаздыванием относительно увеличения тока, поэтому под действием реакции якоря в сильной степени искажается магнитное поле возбуждения. В результате этого возникнет
искрение под щетками, которое может перейти в круговой огонь.
Чтобы обеспечить заданное распределение тока между обмотками возбуждения и резисторами, применяют индуктивные шунты, обладающие индуктивным сопротивлением, соизмеримым с индуктивным сопротивлением обмотки возбуждения.
РЕВЕРСОРЫ
В процессе работы локомотива возникает необходимость изменять направление движения электровоза. Для этого нужно изменить направление вращения якорей тяговых двигателей, т. е. осуществить их реверсирование. Это можно сделать двумя способами:
не меняя направления тока в обмотке якоря (рис. 43; а и б), изменить направление магнитного потока, изменив направление тока в обмотке возбуждения;
не меняя направления магнитного потока, изменить направление тока в обмотке якоря (рис. 43, в).
На электровозах, как правило, для реверсирования двигателей изменяют направление 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. Однако на электровозах ВЛ 10, ВЛ 11 и на части электровозов ВЛ8 для упрощения силовых цепей реверсирование тяговых двигателей осуществляют, изменяя направление тока в обмотках их якорей.
Заметим, что если одновременно изменить направление и тока, и магнитного потока, т. е. полярность подведенного к двигателю напряжения, то
з
67
Рис. 43. Схемы, поясняющие способы реверсирования тяговых двигателей
направление вращения его якоря не изменится.
Для реверсирования тяговых двигателей применяют электрические аппараты, называемые реверсорами. На отечественных электровозах используют реверсоры кулачкового типа с контакторными элементами, приводимыми в действие кулачковым валом так же, как в групповых переключателях. Как изменяется направление тока в обмотках возбуждения в зависимости от поло-
Рис. 44. Схема кулачкового реверсора
жения поршней в цилиндре, а следовательно, и от положения контактов 1, 2, 3, 4, показано на рис. 44, а и б.
На силовых схемах электровозов электрические соединения пальцев и сегментов реверсоров (рис. 44, виг) 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 электровозах ВЛ8 и ВЛ 10 — два реверсора (по одному на четыре тяговых двигателя), на электровозе ВЛ 11 —один реверсор на каждую секцию,., имеющую четыре двигателя.
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.
При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Применяют две системы реостатного торможения: с самовозбуждением двигателей и с независимым возбуждением.
В первом случае обмотки возбуждения двигателей соединены последова
68
тельно с обмотками их якорей. Чтобы обеспечить переход из тягового режима в тормозной, начало и конец обмоток возбуждения тяговых двигателей меняют местами с помощью контактов реверсора (рис. 45). Это необходимо, так как в генераторном режиме ток по обмоткам якоря проходит в направлении, противоположном его направлению в двигательном режиме, а по обмотке возбуждения ток должен проходить в том же направлении.
Действительно, если отсутствует напряжение, подаваемое на двигатель извне, направление тока будет определяться направлением э. д. с. двигателя, противоположным направлению внешнего напряжения.
Известно, что сталь после прекращения ее намагничивания обладает остаточным магнетизмом, который исчезает, когда изменяется направление тока в обмотках возбуждения. При этом может нарушиться самовозбуждение двигателей.
Во время торможения каждую группу, например, из двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, можно включить на отдельный тормозной резистор Дт (см. рис. 45). Если в режиме тяги были замкнуты контакты реверсора 1, 2, то перед переходом на реостатное торможение они размыкаются и замыкаются контакты 3, 4. При этом тормозной ток /т, проходя по обмоткам возбуждения в том же направлении, что и в двигательном режиме, создает поток, намагничивающий машину. Их общая э. д. с. увеличивается. Ток /т возрастает до некоторого значения, определяемого скоростью движения и сопротивлением тормозного реостата /?г. Тормозную силу регулируют, изменяя ток /т путем включения или выключения секций тормозного реостата с помощью контакторов (на рис. 45 они не показаны).
Рис. 45. Схема цепей электрического торможения при включении группы тяговых двигателей на отдельный тормозной реостат
При реостатном торможении тяговые двигатели включают параллельно по два в каждом плече. В этом случае возросшее напряжение на каждом двигателе находится в допустимых пределах — в 1,5—1,7 раза выше, чем в тяговом режиме, и можно использовать в режиме торможения пусковой реостат. Однако при параллельном соединении двигателей последовательного возбуждения приходится принимать специальные меры для обеспечения их устойчивой работы1 и равномерного распределения тока между ними. Если двигатели включить параллельно (рис. 46 — замкнуты контакты 1, 2, а контакты 3, 4 разомкнуты), реостатное торможение неустойчиво, так как любое случайное увеличение тока в одной из двух ветвей, содержащих по два последовательно соединенных двигателя, увеличивает э. д. с. двигателей этой ветви. Появляется уравнительный ток, который еще
1 Электрически устойчивой является система, в которой при нарушении установившегося состояния, вызванном так называемыми возмущающими воздействиями, токи и напряжения изменяются, но после исчезновения этих воздействий принимают прежние установившиеся значения. Если меняются условия, определяющие установившийся режим (например, напряжение сети, сопротивление тормозного реостата), то устойчивая система принимает новое состояние равновесия. Система, не удовлетворяющая этим условиям, неустойчива.
69
Рис. 46. Схема цепей электрического торможения с общим тормозным реостатом при перекрестном включении обмоток возбуждения
больше нагружает их и разгружает двигатели другой ветви. Это может в конце концов привести к короткому замыканию двигателей первой ветви и полному размагничиванию, а затем и перемагничиванию двигателей второй ветви.
Наилучшее распределение нагрузок между тяговыми машинами и их устойчивую работу обеспечивает так называемая перекрестная схема (на рис. 46 контакты 1, 2 разомкнуты, а контакты 3, 4 замкнуты). Если по какой-либо причине э. д. с. двигателей I, II, а следовательно, и ток /1Л1 будут больше, чем соответственно э. д. с. ЕП1 IV и ток /пи-; двигателей III, IV, ток в обмотках всзбуждения последних будет возрастать, пока э. д. с. двигателей I, II и III, IV не станут равными.
В случае параллельного соединения трех групп двигателей возможно применение так называемой циклической схемы реостатного торможения, при которой обмотка возбуждения каждого двигателя соединена последовательно с якорем двигателя другой параллельной ветви. Подразумевается такое включение обмоток, при котором их потоки не размагничивают двигатели. !;
Реостатное торможение двигателей с самовозбуждением имеет ряд недостатков. Одним из них является сравнительно медленное самовозбуждение и относительно большое время, которое требуется для создания необходимой тормозной силы. Чтобы ускорить самовозбуждение, можно подать дополнительное напряжение от независимого источника либо на основную обмотку возбуждения, либо на специальную добавочную обмотку с небольшим числом витков. При этом начальная э. д. с. определяется уже не потоком остаточного магнетизма, а значительно большим магнитным потоком.
Тормозную силу регулируют, изменяя как сопротивление /?т, так и магнитный поток двигателей, для чего изменяют напряжение независимого источника.
В случае рекуперативного торможения электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, 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, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.
70
Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Преимущества рекуперативного торможения 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, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания.
При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней повышается, 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 намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар.
Системы рекуперативного торможения должны обеспечивать постоянный ток рекуперации в тяговых двигателях и тормозной момент в условиях непрерывного изменения напряжения в контактной сети. Напряжение в контактной сети колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается различное количество электровозов и элек
тропоездов, да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах. При это возможны резкие изменения тока ре .ерации. Этот ток определяется ра. ’сетью суммарной э. д. с. последовательно соединенных двигателей и напряжения в контактной сети, деленного на сопротивление их обмоток. Общее сопротивление обмоток двигателей, даже соединенных последовательно, как отмечалось выше, мало. Поэтому даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э. д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.
Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось. Тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в режиме генератора, может изменить направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания хвостовых вагонов.
Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети в системе рекуперативного торможения должен автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит, и тормозной момент, установленный в зависимости от условий движения поезда.
Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с. в обмотке якоря стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко снижается при уменьшении нагрузки, а
71
Рис. 47. Схема цепей рекуперативного торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей со стабилизирующим резистором /?„ (а) и с противовозбуждением возбудителя (б)
э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.
Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать их от постороннего источника энергии, например от специального генератора возбудителя В (рис. 47, а). Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем Д. 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, то может снизиться э. / с. двигателей, работающих в режиге генераторов. Однако достаточно увеличить ток возбуждения Л, чтобы поддержать необходимую э. д. с., а значит, ток и тормозной момент, создаваемый двигателями. Для этого регулируют ток /вв в независимой обмотке возбуждения возбудителя В, изменяя сопротивление реостата R.
Схемы, построенные по такому принципу, можно использовать для рекуперативного торможения нескольких параллельно включенных двигателей. При этом в каждой цепи двигателя имеется стабилизирующий резистор R т, а обмотки возбуждения подключе
ны к общему возбудителю В. Стабилизирующие резисторы обеспечивают электрическую устойчивость системы в режиме рекуперативного торможения, но они же создают и присущий схеме недостаток: значительные потери энергии в этих резисторах и необходимость повышенной мощности возбудителя для их компенсации.
Предложено несколько схем, свободных от этого недостатка. Так, на восьмиосных электровозах для осуществления рекуперативного торможения используют противовозбуждение возбудителя (рис. 47, б). В этом случае обмотки возбуждения ОВ тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую ОНВ, напряжение в которую подается от постороннего источника энергии, и обмотку противовозбуждения ОПВ, включенную последовательно в цепь тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами /онв и /р, направлены встречно. При увеличении тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети ток обмотки противовозбуждения снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшаются возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. Когда напряжение в контактной сети повышается, ток рекуперации уменьшается и все процессы в схеме проходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и 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.
В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение
72
применяют на трех соединениях якорей тяговых двигателей. Если скорость движения большая, используют параллельное соединение. В случае малой скорости движения получить большую э. д. с. машин невозможно, и тогда применяют последовательно-параллельное или последовательное соединение.
Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят тормозным переключателем. По устройству он аналогичен реверсору (см. рис. 44). На электровозах серий ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 (в двухсекционном исполнении) устанавливают два кулачковых тормозных переключателя.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ
Принципиальные схемы тяговых силовых цепей электровозов выполняют разнесенным способом. Отдельные цепи на схеме располагают горизонтально одна под другой — они образуют параллельные строки. Силовые цепи различных электровозов отличаются одна от другой прежде всего числом тяговых двигателей, которых может быть 16, 12, 8, 6 или 4. Кроме того, на построении схемы сказывается наличие или отсутствие рекуперативного либо реостатного торможения, используемый способ перехода с одного соединения двигателей на другое, число ступеней ослабления возбуждения, способы защиты силовых цепей.
Контакты аппаратов на силовых схемах показывают в положении, соответствующем условиям их изображения, о которых было сказано на с. 25 Как уже было отмечено, контакты аппаратов, не имеющие отключенного положения, изображают для положения, принятого за исходное (нормальное).
К таким аппаратам силовой цепи относятся реверсоры, тормозные и групповые переключатели. Для реверсоров исходным считают положение «Вперед», для тормозных переключателей — положение, соответствующее тяговому режиму, для групповых переключателей — последовательному соединению тяговых двигателей.
Очередность замыкания и размыкания контактов аппаратов силовой цепи устанавливается при разработке схем. Замыкание или размыкание тех или иных контактов в заданной последовательности обеспечивается введением в цепь управления электровоза катушек вентилей, блокировок и других аппаратов.
Переключения в цепи управления, а следовательно, и в силовой цепи осуществляют с помощью специального аппарата — контроллера машиниста. Машинист, ставя главную рукоятку контроллера на ту или иную позицию, подключает провода цепи управления к источнику тока. При этом срабатывает определенный аппарат силовой цепи. Каждая позиция рукоятки контроллера фиксируется специальным образом, исключая самопроизвольный переход с позиции на позицию без участия машиниста.
Для того чтобы выяснить, какие контакты контакторов замкнуты и какие разомкнуты при различных положениях рукоятки контроллера, т. е. для того, чтобы проследить путь тока, силовую схему дополняют таблицей последовательности замыкания и размыкания контакторов. Простейшая таблица была дана на рис. 32. В действительности такая таблица гораздо сложней. В ней для каждого вида соединения тяговых двигателей (С, СП и П) указаны позиции рукоятки контроллера. Из таблицы видно, какие контакторы — индивидуальные, группового переключателя,
73
Рис. 48. Принципиальная схема электровоза постоянного тока
74
ослабления возбуждения — замкнуты и какие разомкнуты на каждой позиции рукоятки контроллера. Пользуясь этой таблицей, можно узнать, в какой последовательности включаются и выключаются индивидуальные контакторы реостата и контакторы группового переключателя при переходе с одного соединения тяговых двигателей на другое.
Как же выглядит силовая схема электровоза? На рис. 48, а для примера показана несколько упрощенная схема электровоза ВЛ 10 для 1 -й позиции главной рукоятки контроллера машиниста. Элементы электрического оборудования, входящие в силовую схему, показаны условными графическими изображениями. Силовая схема имеет четыре горизонтальные строки. В верхних двух строках приведены элементы оборудования, относящиеся к 1-й секции кузова, в двух нижних — ко 2-й секции. Силовые цепи секций I и II подключены друг к другу межкузовными соединениями (рис. 48, б).
Прежде чем рассмотреть прохождение тока в силовой цепи, отметим следующее: цифровые или буквенные обозначения элементов здесь не такие, как в заводской схеме; элементы электрооборудования, рядом с буквенным обозначением которых стоит цифра 1, размещены в 1-й секции электровоза (кузова), а элементы с цифрой 2 — во 2-й секции; на схеме для упрощения приведены не все обозначения, а только использованные при описании. Некоторые цепи, не упоминаемые при описании, не показаны.
В силовую цепь электровоза ВЛ 10 (см. рис. 48, а) входят дифференциальное реле РДф, реле перегрузки РП, реле боксования (на схеме не показано), которые защищают силовую цепь в ненормальных режимах; дроссель Др и конденсатор С необходимы для за
щиты от радиопомех. Сведения об их устройстве и действии приведены на с. 137.
Электрический ток из контактной сети проходит через один из поднятых токоприемников, например Т1, крыше-вой разъединитель РКД, дроссель Др, обмотку дифференциального реле РДф, быстродействующий выключатель БВ, линейный контактор 1-1 (в действительности их два для облегчения разрыва цепи), первую группу секций пускового реостата R1-R2, контакторный элемент 2-1 группового переключателя ПкГ. Затем ток проходит через вторую группу секций пускового реостата R3-R4, шунт амперметра А, обмотку реле перегрузки PI71 в цепи тяговых двигателей I и II, нож отключателя ОД1-Н, контакты PI-II реверсора, обмотки якорей двигателей, контакты реверсора PI-II, контакты тормозного переключателя Т, обмотку возбуждения OBI двигателя I, контакты тормозного переключателя Т, обмотку возбуждения ОВП двигателя II, контакты тормозного переключателя Т, нож отключателя двигателя 0Д1-П.
Далее ток через замкнутый контакторный элемент 3-1 группового переключателя проходит в цепь двигателей III и IV, в которую включены реле перегрузки РП2, отключатели и другие аналогичные элементы, упомянутые при описании прохождения тока в верхней строке схемы. Цепь двигателей III и IV отличается от цепи двигателей I и II лишь наличием реле давления РД1.
Во 2-ю секцию ток проходит через замкнутый контакторный элемент группового переключателя 4-0 (буква О означает, что контакторный элемент относится к групповому переключателю, общему для обеих секций кузова) и межкузовное соединение. Прохождение тока в силовой цепи 2-й секции аналогично прохождению его в 1-й. Силовая
75
цепь замыкается на рельсы (землю,!, с которыми находятся в постоянном контакте колесные пары, через вторую обмотку дифференциального реле РДф и токовые обмотки двух счетчиков электрической энергии Сч. На 1-й позиции рукоятки контроллера в цепь тяговых двигателей полностью введен пусковой реостат. Цепь, по которой проходит гок на 1-й позиции рукоятки контроллера, показана на схеме жирными лилиями.
Отметим особенность силовых схем электровозов ВЛ 10 и ВЛ 11. На 1-й позиции рукоятки контроллера (см. рис. 48) замкнуты контакты контакторов 5-1, 6-1, 5-2, 6-2, 7-1, 8-1, 7-2, 8-2, е. включена первая ступень ослабления возбуждения тяговых двигателей (75% 1. Это противоречит утверждению, что ослабление возбуждения применяют только на ходовых позициях (см. с. 66), и вызвано следующим. В процессе эксплуатации первой партии электровозов ВЛ 10 недопустимо нагревалась часть секций пускового реостата. Поэтому на локомотивах следующих выпусков была увеличена мощность секций, т. е. увеличено число параллельно включенных элементов. Однако возникли трудности с их размещением и пришлось уменьшить сопротивление пускового реостата на 1-й позиции. В результате ток тяговых двигателей на l-й позиции возрос сверх допустимого по условиям плавного трогания. При этом тяговые двигатели развивали бы больший вращающий момент и большее тяговое усилие. Чтобы сохранить первоначальное значение тягового усилия при увеличившемся гоке, пришлось уменьшить магнитный поток (применить ослабление возбуждения), а значит и вращающий момент двигателей, так как при пуске э. д. с. в якорях двигателей равна нулю и уменьшение потока возбуждения не вызывает изменения тока двигателей.
76
На 2-й позиции прекращают ослабление возбуждения и сила тяги возрастает. На 3-й позиции включается контактор 9-2 и тем самым выводится ступень пускового реостата R7-R8. При дальнейшем перемещении главной рукоятки контроллера происходит ступенчатое уменьшение сопротивления пускового реостата: полностью оно выводится на 16-й (ХОДОВОЙ) позиции.
Переходя с одной реостатной позиции на другую, машинист, ориентируясь на показания амперметров А, следит за тем, чтобы ток двигателей не превышал допустимого по условиям сцепления. Чтобы предотвратить повышенный нагрев секций пускового реостата, рассчитанных на кратковременное включение, рукоятку контроллера задерживают на реостатных позициях не более чем на 30 с. После того как рукоятка контроллера будет установлена на ходовую позицию, машинист для увеличения скорости применяет четыре ступени ослабления возбуждения. Чтобы еще больше увеличить скорость движения, он осуществляет переход на последовательно-параллельное соединение двигателей, но предварительно переводит двигатели в оежим полного возбуждения. Для этого сначала машинист устанавливает рукоятку контроллера на ’ 7-ю позицию, при этом в силовой цепи происходят переключения в соответствии с рис. 38. Затем, переводя рукоятку контроллера, он вновь ступенями уменьшает сопротивление пускового реостата: при этом увеличивается напряжение, подводимое к двигателям. На 27-й позиции полностью выводится реостат; эта позиция является ходовой. Затем машинист может использовать вновь четыре ступени ослабления возбуждения, и скорость движения поезда еще более возрастет. Предварительно переведя двигатели в режим полного возбуждения, машинист устанавливает
рукоятку контроллера на 28-ю позицию, т. е. осуществляет переход на параллельное соединение двигателей. На 38-й позиции пусковой реостат выведен — эта позиция также ходовая.
При ведении поезда чаще всего используют параллельное соединение двигателей и применяют при этом ослабление возбуждения. Если ток достигнет слишком большого значения, например, на крутом подъеме, переходят на более низкую ступень ослабления возбуждения или на полное возбуждение. В том случае, когда необходимо значительно понизить скорость, машинист переводит рукоятку контроллера с 38-й на 27-ю или 16-ю ходовую позицию.
В процессе работы может произойти повреждение одного из тяговых двигателей. Чтобы в этом случае поезд мог дойти до станции, предусмотрена возможность работы электровоза с двумя отключенными двигателями. Отключают их ножами отключателей двигателей, например при повреждении двига
теля / ножами ОД1, ОДП отключают двигатели /, //, и электровоз работает по аварийной схеме.
Для учета расхода электроэнергии установлены два счетчика. Счетчик Сч! учитывает расход электроэнергии на тягу поезда и собственные нужды. В режиме рекуперации диск этого счетчика вращается в направлении, противоположном направлению его вращения в режиме тяги. Счетчик Сч2 предназначен только для учета рекуперируемой энергии.
Заканчивая рассказ об электровозах постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения, отметим, что для осуществления их пуска и регулирования частоты вращения требуется большое число индивидуальных и групповых контакторов. Например, только для получения различных соединений секций пускового реостата на электровозе ВЛ 10 установлен 21 индивидуальный электропневмэтический контактор.
5 АППАРАТЫ
И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ТОКОПРИЕМНИКИ
Токоприемники электровозов постоянного и переменного тока устроены одинаково. На электровозах переменного тока устанавливают токоприемники легкого типа, рассчитанные на длительный ток до 500 А, а на электровозах постоянного тока — тяжелого типа, рассчитанные на длительный ток до 2200 А.
Токоприемники легкого типа в отличие от токоприемников тяжелого типа вместо двух полозов имеют один; однако из-за высокого напряжения контактной сети (25 кВ вместо 3 кВ) приходится применять более прочные в электрическом отношении изоляторы.
Имеются и некоторые другие конструктивные особенности у токоприемников электровозов переменного тока.
РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ
И ГЛАВНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Разъединитель QS (см. рис. 10) в силовой цепи предназначен для тех же целей, что и на электровозах постоянно-
Рис. 49. Кривая, характеризующая изменение переменного тока при коротком замыкании в силовой тяговой цепи
го тока, но его опорные изоляторы рассчитаны на напряжение контактной сети 25 кВ.
В силовой цепи после разъединителя установлен аппарат, осуществляющий, как и на электровозах постоянного тока, отключение силовой цепи от контактной сети при недопустимых перегрузках и коротких замыканиях. По устройству и действию этот аппарат, называемый главным выключателем (ГВ), отличается от быстродействующего выключателя электровозов постоянного тока. Отличия его определяются следующим. Вследствие значительного индуктивного сопротивления силовых цепей электровоза переменный ток при перегрузках и коротких замыканиях не возрастает так резко (рис. 49), как постоянный (см. рис. 29). Кроме того, переменный ток изменяется синусоидально и поэтому проходит через нулевые значения. Благодаря этому легче разорвать цепь тока и не требуется иметь такое высокое быстродействие выключателя, как при постоянном токе.
В качестве главных выключателей чаще всего применяют воздушные, в которых для гашения дуги и в приводе используют сжатый воздух. Конструктивно воздушный выключатель выполнен совместно с разъединителем. Его силовая токоведущая цепь имеет две пары контактов: разрывные, принадлежащие главному выключателю, QF и контакты разъединителя QS (см. рис. 10).
Основой выключателя, установленного на отечественных электровозах,
78
является корпус (рис. 50), который крепят к крыше электровоза. К корпусу с помощью патрубка прикреплен воздушный резервуар. В процессе отключения выключателя сжатый воздух из резервуара подается в дугогасительную камеру через патрубок и полость наклонного изолятора. Дугогасительная камера смонтирована в горизонтальном полом изоляторе, укрепленном на наклонном изоляторе. На верхней части корпуса смонтирован разъединитель, ножи которого укреплены на поворотном изоляторе. На корпусе закреплен кронштейн, на него заземляются ножи разъединителя в отключенном положении. Внутри корпуса смонтированы механизмы управления выключателем.
ГВ является основным защитным аппаратом, поэтому он должен быть постоянно готов к отключению. Следова-
Полый горизонтальный
Рис. 50. Главный выключатель
тельно, до включения выключателя в его резервуаре должен быть сжатый воздух. Специальное реле давления не допускает включения выключателя (рис. 51) при недостаточном давлении в резервуаре и вызывает его отключение, если давление, снижаясь, достигает минимального значения.
Рис. 51. Принципиальная схема главного выключателя:
/ — горизонтальный изолятор; 2—подвижной контакт ГВ; 3—неподвижный контакт разъединителя; 4~ подвижной контакт разъединителя (ножи); 5 — разъединитель; 6 — главный пусковой клапан; 7 — электромагнит с отключающей катушкой; 8—рычаг ГВ; 9—выключающий клапан; 10— электромагнит с удерживающей катушкой; 11 — толкатель; 12 — вал; 13 — контрольно-сигнальный аппарат; 14 — реле давления; 15 — дополнительная полость; 16 — диафрагма; 17 — включающий клапан; 18 — электромагнит с включающей катушкой; 19—шток
79
При включенном выключателе ток от токоприемника через неподвижный и подвижной контакты выключателя, неподвижный контакт и ножи разъединителя, трансформатор тока ТТ пойдет к первичной обмотке тягового трансформатора Т. Вторичная обмотка ТТ соединена с удерживающей катушкой главного выключателя и реле максимального тока. В случае перегрузки или короткого замыкания ток в первичной и вторичной обмотках ТТ резко увеличивается. Реле максимального тока срабатывает, если ток, проходящий через ТТ, превышает допустимый. При этом разрывается цепь удерживающей катушки, включающий клапан (см. рис. 51) приводится в действие, что является начальной операцией отключения выключателя.
Цепь удерживающей катушки может быть разомкнута либо кнопкой Выключение ГВ, либо контактами реле той или иной защиты. Например, на восьмиосных электровозах эта цепь разрывается при срабатывании защиты от перегрузки тяговых двигателей, дифференциальной защиты, защиты выпрямительных установок, токовой защиты силовой и вспомогательных цепей и пр.
Для включения ГВ необходимо подать напряжение питания на удерживающую и включающую катушки. Включающий электромагнит воздействует на пусковой клапан. Когда этот клапан открывается, сжатый воздух поступает в дополнительную полость и перемещает в ней поршень в крайнее левое положение.
Рычаг, связанный с поршнем через шток, поворачивает вал разъединителя на определенный угол — до замыкания ножей разъединителя. В конце поворота вала переключаются блок-контак-ты контрольно-сигнального аппарата (см. рис. 51), один из которых размыкает цепь включающей катушки. Сер
! 80
дечник включающего электромагнита возвращается в исходное положение, пусковой клапан закрывается, сжатый воздух из дополнительной полости уходит в атмосферу, а поршень остается в крайнем левом положении.
При повороте вала в сторону, соответствующую включению главного выключателя, толкатель, перемещаясь влево, сжимает пружину, которая воздействует на якорь удерживающей катушки. Однако якорь электромагнитными силами удерживается притянутым. В том случае, когда по каким-либо причинам по удерживающей катушке не протекает ток, под действием пружины якорь перемещается влево, и начинается отключение выключателя.
Чтобы отключить выключатель, нужно привести в действие выключающий клапан. Для этого необходимо разорвать цепь удерживающей катушки либо подать питание на отключающую катушку. При таком воздействии рычаг ГВ поворачивается по часовой стрелке. Отключающий клапан открывается, сжатый воздух попадает в полость, где находится поршень, соединенный с главным пусковым клапаном (см. рис. 51). Этот поршень перемещается влево, открывая главный пусковой клапан. Сжатый воздух из резервуара поступает в дугогасительную камеру горизонтального изолятора и одновременно в дополнительную полость.
В дугогасительной камере под действием сжатого воздуха происходит перемещение находящегося в ней поршня вправо. При этом подвижной и неподвижный разрывные контакты размыкаются. Дуга, образовавшись в промежутке между ними, выдувается и гасится потоком сжатого воздуха, который затем через отверстия в головке дугогасительной камеры выходит в атмосферу.
Контакты разъединителя должны размыкаться позже при уже обесточенной силовой цепи электровоза, поскольку ножи разъединителя не рассчитаны на гашение электрической дуги. Для обеспечения необходимой выдержки и предусмотрена дополнительная полость, а также диафрагма с регулируемой площадью сечения. Через 0,3— 0,35 с после начала размыкания дугогасительных контактов поршень в дополнительной полости перемещается в крайнее правое положение. Вал разъединителя поворачивается в сторону отключения, перемещая вправо толкатель, который в свою.очередь перестает сжимать пружину, фиксирующую якорь удерживающей катушки в определенном положении. Якорь удерживающей катушки освобождается от воздействия пружины, выключающий клапан закрывается, и в конечном итоге закрывается главный клапан. Доступ сжатого воздуха в дугогасительную камеру прекращается; подвижной и неподвижный контакты в ней вновь замыкаются. Для повторного включения ГВ остается только замкнуть контакт разъединителя.
Нелинейный резистор (см. рис. 50) предназначен для уменьшения перенапряжений, возникающих на дугогасительных контактах при разрыве дуги. После размыкания разрывных контактов главного выключателя дуга гаснет обычно тогда, когда ток переходит через нулевое значение (см. рис. 49). В определенных условиях дуга может погаснуть и раньше, что сопровождается резким спаданием тока. Быстрое уменьшение тока вызывает перенапряжения, которые могут быть опасны для оборудования. Однако сопротивление нелинейного резистора при увеличении приложенного к нему напряжения уменьшается. Это значит, что при появлении дуги между разрывными контак
тами через резистор проходит ток, который снижает, а часто совсем снимает перенапряжение.
Отметим принципиальное различие в действиях главного выключателя и быстродействующего: при коротких замыканиях быстродействующий выключатель автоматически срабатывает, как только ток в защищаемой цепи превысит его уставку; главный выключатель непосредственно не реагирует на недопустимый ток — он отключается под воздействием реле защит.
ТЯГОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Трансформаторы. Как известно, трансформаторы способны повышать или понижать подведенное напряжение переменного тока. Напомним, что на дорогах, электрифицированных на переменном токе, номинальное напряжение в контактной сети равно 25 кВ, а тяговые двигатели работают при номинальном напряжении 900—1600 В. Тяговые трансформаторы электровозов понижают напряжение до значения, наиболее благоприятного для работы тяговых двигателей. Известно, что отношение напряжения первичной обмотки Ui к напряжению вторичной обмотки Ui при холостом ходе может быть принято равным отношению чисел их витков (соответственно wi и wz), т. е. Ui : Ui= = Wi : wi.
Таким образом, выбирая необходимое соотношение между числом витков первичной и вторичной обмоток, можно менять соотношение напряжений и тем самым регулировать частоту вращения якорей тяговых двигателей. Это проще и экономичнее, чем регулировать ее, включая в цепь тяговых двигателей пусковые резисторы и применяя различные группировки двигателей. Следователь-
81
Рис. 52. Схемы, поясняющие регулирование напряжения на первичной (а) и вторичной (б) сторонах тягового трансформатора
но, то или иное вторичное напряжение можно получить, изменяя число витков в первичной (рис. 52, а) или вторичной (рис. 52, б) обмотке. Какой же способ лучше?
Казалось бы, удобнее изменять число витков в первичной обмотке понижающего трансформатора, так как ток в ней меньше. Однако регулировать напряжение Ui в широких пределах трудно по следующей причине.
Если необходимо постепенно повышать напряжение на вторичной обмотке, то нужно, переключая соответствующие контакты 1, 2, 3, 4, уменьшать число витков первичной обмотки (см. рис. 52, а). Напряжение, приходящееся в этом случае на один виток, будет по мере выполнения переключений увеличиваться. Одновременно магнитный поток в магнитопроводе трансформатора будет индуцировать э. д. с. и в отклю-
Рис. 53. Схема регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора с дополнительной регулировочной обмоткой
ченных витках. Поэтому по мере уменьшения числа витков первичной обмотки напряжение между ее началом и концом будет возрастать. Если, например, число витков последней секции меньше числа витков всей обмотки в 5 раз, то при напряжении контактной сети 25 кВ напряжение между началом и концом первичной обмотки составит 25-5= — 125 кВ. На это напряжение должна быть рассчитана изоляция трансформатора. Понятно, что такой способ на электровозах, где требуется регулировать напряжение в широких пределах, не применяют.
Регулирование на стороне высшего напряжения тягового трансформатора. Как уже было отмечено (см. рис. 52, а), практически это регулирование нельзя осуществить изменением числа витков обмотки высшего напряжения. Приходится применять трансформаторы с регулировочной обмоткой Р (рис. 53). Эту обмотку размещают на дополнительном стержне сердечника трансформатора, площадь сечения которого вдвое больше, чем у остальных. Выводы (отпайки) регулировочной обмотки, представляющей собой автотрансформатор, используют для регулирования напряжения на первичной обмотке П трансформатора, имеющего постоянный коэффициент трансформации, а значит, и на вторичной обмотке В.
В начале пуска двигателей замкнут контактор 5 и весь магнитный поток, создаваемый обмоткои Р, замыкается через нижний стержень трансформатора. Напряжение на обмотке П равно нулю. Повышают напряжение на обмотках П и В, переключая контакторы 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, чем обмотки В. Поэтому, когда переключа
82
тель секций обмотки Р займет среднее положение и число ее витков, подключенных к обмотке П, станет равным числу витков обмотки В, весь магнитный поток будет замыкаться через средний стержень. Дальнейшее уменьшение числа витков обмотки Р, подключенных к обмотке П, приведет к тому, что магнитный поток в среднем стержне станет больше, чем в верхнем, и избыточная часть его будет замыкаться через нижний стержень. Когда напряжение на обмотке П достигнет напряжения 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 возникнет напряжение, превосходящее напряжение в контактной сети, как это происходит в схеме, показанной на рис. 52, а. Регулировочная обмотка электровозных трансформаторов состоит из 32 — 35 секций.
Достоинства системы регулирования на стороне высшего напряжения заключаются в сравнительно малых габаритных размерах 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 сопротивления секций пусковых реостатов в параллельных ветвях силовой тяговой цепи электровозов постоянного тока. Ступени напряжения можно выбирать в зависимости от условий работы, на которые рассчитан электровоз.
Однако при такой системе регулирования усложняется конструкция трансформатора и переключающей аппаратуры, рассчитанной на напряжение контактной сети. Кроме того, в этом
Рис. 54. Схемы переключения секций трансформатора с помощью переходного реактора случае сравнительно невысок коэффициент мощности.
Регулирование на стороне высшего напряжения использовано на электровозах ЧС4 и ЧС8, поставляемых в Советский Союз из Чехословакии. Электрическое оборудование, а также принятый принцип регулирования напряжения этих электровозов отражают традиции, существующие в зарубежном электровозостроении.
Регулирование на стороне низшего напряжения. На отечественных электровозах переменного тока всех серий регулируют напряжение на вторичной стороне трансформаторов (см. рис. 52, 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 секции а. Чтобы увеличить напряжение, нужно к этой секции подсоединить секцию б, выключив контактор 1 и включив контактор 2. Но при этом на определенный промежуток времени потребитель был бы отключен от источника питания,т. е. электровоз работал бы рывками. Можно 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 недопустимо. Поэтому секции трансформатора переключают, используя переходные реакторы (рис. 54, а) или резисторы.
83
Рис. b5. Схемы включения переходного реактора на различных ступенях регулирования напряже-
ния
Реактор может быть выполнен без стального сердечника с обмоткой, имеющей вывод от средней точки. Особенность такого реактора заключается в том, что его индуктивное сопротивление зависит от направления токов в полуобмотках: при встречном включении сопротивление невелико, а при согласном (или при прохождении тока только в одной из полуобмоток) оно значительно больше.
В исходном положении начало и конец реактора подключены к одному выводу вторичной обмотки трансформатора (допустим, к выводу 2). Ток нагрузки / делится между полуобмотками реактора поровну и направлен в них
Рис. 56. Схемы включения нерегулируемой и регулируемой обмоток трансформатора
(
встречно, поэтому индуктивное сопротивление реактора равно нулю. Чтобы увеличить напряжение, подводимое к потребителю, один вывод реактора отсоединяют от вывода 2 трансформатора и присоединяют к выводу 3 (рис. 54, б), замыкая тем самым секцию 2—3 на переходной реактор. Ток в короткозамкнутом витке io не опасен 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.
Переходной реактор используют также и для увеличения числа ступеней регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Для этого присоединяют к каждому выводу обмотки трансформатора два контактора (рис. 55, а). Нечетные и четные контакторы соединяют соответственно с двумя шинами, между которыми включен переходной реактор. Если замкнуты контакты 1 и 2, к тяговым двигателям подводится напряжение первой секции, к ток в полуобмотках реактора направлен встречно так, как показано на рис. 54, б.
Чтобы повысить напряжение, а значит, и скорость электровоза, отключают контактор 2 и включают контактор 4 (рис. 55, б). При этом реактор работает как автотрансформатор и делит напряжение секции t/ск пополам: к тяговым двигателям подводится напряжение Ь’ск-т 0,5UeK= 1 ,51/се. Затем отключают контактор 1 и замыкают контактор 3: к тяговым двигателям подводится напряжение l2U№ и т. д. (потом 2,51/ск. Зб'ск- •). Такой способ перехода позволяет получить число ступеней, вдвое большее числа выводов трансформатора.
84
Как видим, при регулировании напряжения контакторы 1—8 (см. рис. 55,а) разрывают и замыкают электрические цепи под током. Поэтому они должны быть снабжены дугогасящими устройствами. Однако обычно применяют несколько десятков контакторов; большое число дугогасящих устройств усложнило бы их размещение на электровозе н обслуживание в процессе эксплуатации. 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.
Для увеличения числа ступеней регулирования напряжения при небольшом числе выводов трансформаторов вторичная обмотка разделена на две. В каждой вторичной обмотке имеется несекционированная (нерегулируемая) часть и секционированная (регулируемая); последняя состоит из четырех секций с одинаковым числом витков, а следовательно, одинаковым напряжением (7СК.
Вначале регулируемую и нерегулируемую части включают встречно (рис. 56, а). Напряжение нерегулируе
мой части обмотки 5/н несколько больше суммарного напряжения секции регулируемой части, поэтому подводимое к двигателям напряжение [/д= U„— — 46/ск- Далее последовательно уменьшают число встречно включенных секций. При переключении их используют переходной реактор. Когда все секции выключены, напряжение, подводимое к тяговым двигателям, равно UH. Для дальнейшего повышения напряжения нерегулируемую и регулируемую части обмотки включают согласно (рис. 56, б), последовательно подключая к нерегулируемой части одну за другой секции регулируемой. Наибольшее напряжение, подводимое к тяговым двигателям, (/д= £7Н+4(7СК.
Все переключения обмоток и секций с помощью контакторов с дугогашением и без него должны производиться в строго определенной последовательности. Осуществляют эти переключения групповым аппаратом, называемым главным контроллером.
ГЛАВНЫЙ КОНТРОЛЛЕР
Главный контроллер, например, восьмиосного электровоза (рис. 57) имеет 30 кулачковых контакторов без
Ри< . 57 Главный кон1 роллер
85
а
Рис. 58. Кинематическая схема главного контроллера
Зубчатая передача
Вал контакторных элементов с дугогашением
~]--п	/Вал контакторных
_ * ~:	/-элементов переключе-
I = х х	нал обмоток
Вал контакторов переключения отупеней
дугогашения и четыре с дугогашением, кулачковые валы, а также электродвигатель — так называемый серводвигатель (от англ, serve — обслуживать). Кинематическая схема главного контроллера сложна (рис. 58).
Серводвигатель с помощью зубчатых колес и червячного зацепления приводит во вращение через первый мальтийский механизм (мальтийский крест) и зубчатую передачу кулачковый вал контакторов с дугогашением, а через зубчатую передачу и второй мальтийский крест — кулачковые валы контакторов переключения ступеней и контакторов переключения обмоток. Эти два вала связаны зубчатой передачей, обеспечивающей необходимую последовательность переключения обмоток и секций.
Мальтийский механизм, или мальтийский крест (последнее название он получил из-за сходства ведомого диска с эмблемой духовно-рыцарского Мальтийского ордена), позволяет непрерывное вращение (в нашем случае — червячного колеса) преобразовывать в движение с остановками кулачковых валов и тем самым включать или выключать в определенный момент обмотки и контакторы. Вал мальтийского механизма начинает вращаться только тогда, когда поводок (цевка) входит в паз
86
мальтийского креста. Если предусмотрено шесть пазов, то поводок поворачивает крест вместе с валом на 60°. Как только поводок выходит из зацепления, фиксирующий диск останавливает вал в положении, соответствующем определенной ступени обмоток трансформатора. Если на диске укреплены два пальца и мальтийский крест имеет шесть пазов, то один оборот вала червячного колеса соответствует повороту мальтийского креста на 120°.
Подбирая передаточные числа зубчатых передач, устанавливают поворот валов, обеспечивающий правильную работу главного контроллера.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Как уже было отмечено, наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, пульсирующий) на электровозах переменного тока устанавливают выпрямители. В выпрямителях используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении.
Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов — электронная («) и дырочная (р).
В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили — диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-п-структуру, для них характерна высокая проводимость в прямом направлении и низкая в обратном.
В преобразователях, предназначенных не только для выпрямления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования (т. е. преобразования постоянного напряжения в переменное) используют полупроводниковые управляемые вентили — тиристоры.
Полупроводниковые приборы подразделяют на различные типы по исходному материалу, назначению, конструкции, мощности, виду охлаждения, диапазону рабочих частот и т. д. В силовых цепях электроподвижного состава используют мощные (силовые) кремниевые полупроводниковые приборы с принудительным воздушным охлаждением.
Силовые диоды способны выдерживать высокое (до 4000 В) обратное (прикладываемое в непроводящем направлении) напряжение при незначительных токах утечки (до 5 мА).У силового диода (рис. 59, а) наружный конец гибкого вывода является одним из электродов вентиля, на него насажен стандартный наконечник для включения прибора в схему. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный — катодом. Направление тока в
вентиле (от верхнего гибкого вывода к основанию или, наоборот, от основания к выводу) указывают значком на корпусе вентиля. Охладители имеют массивное основание и ребра, увеличивающие поверхность охлаждения.
Основной для полупроводниковых вентилей является вольт-амперная характеристика (ВАХ), показывающая зависимость тока, проходящего через прибор в прямом /пр и обратном /ОбР направлении, от соответствующего напряжения (рис. 59, б).
При прохождении прямого тока через вентиль в нем вследствие внутреннего электрического сопротивления происходит падение напряжения (прямое падение напряжения) и возникают потери энергии, которые выделяются в виде тепла. Поэтому ток /пр, проходящий через диод в прямом (проводящем) направлении, ограничивается допустимой температурой нагрева полупроводниковой структуры и условиями охлаждения. Современные силовые диоды с воздушным охлаждением рассчитаны на предельные прямые токи до 1600 А.
Рис. 59. Общий вид диода штыревой конструкции (а) и его вольт-амперная характеристика (б)
87
При включении диода в непроводящем направлении ток /Обр с увеличением обратного напряжения б/о6р возрастает медленно. Затем при достижении предельного напряжения б/шах наступает пробой вентиля, т. е. он теряет свои запирающие свойства. Поэтому напряжение, подводимое к вентилю, должно быть меньше значения Umia, при котором происходит пробой.
Вентили рассчитывают на определенное обратное номинальное напряжение (повторяющееся напряжение), при котором завод-изготовитель гарантирует их длительную работу без пробоя.
В зависимости от номинального напряжения 17„ом вентили подразделяют на классы. Величина £/ном/100 означает класс вентиля. Например, кремниевый вентиль 8-го класса имеет повторяющееся напряжение 8-100= 800 В. Вполне понятно, что чем выше класс вентиля, тем больше его стоимость. На электровозах устанавливают вентили не ниже 8-го класса.
Для того чтобы напряжение, приложенное к вентилю, не могло превысить предельного значения, вентили выбирают с соответствующим запасом.
Устанавливаемые на современных отечественных электровозах полупроводниковые вентили могут кратковременно пропускать в прямом направлении ток более 1000 А, не повреждаясь при этом, но не выдерживают обратного тока даже I А. Это объясняется тем, что прямой ток, как и выделяемое при прохождении его тепло, распределяется равномерно по всей площади структуры полупроводника. Обратный же ток проходит не по всей поверхности, а по отдельным небольшим каналам. Поэтому в отдельных точках выделяется значительное количество тепла, что способствует пробою вентиля.
Учитывая это, кремниевые пластины вентилей стали изготовлять по особой
технологии. Это позволило обеспечить прохождение обратного тока равномерно по всей поверхности пластины, что снизило вероятность его недопустимого нагрева и пробоя. Такие вентили получили название лавинных. Их широко применяют на электровозах.
Силовые тиристоры, широко применяемые на электроподвижном составе, способны находиться в закрытом состоянии в случае приложения к ним как прямого, так и обратного напряжения, если на вентиль не подается сигнал управления, и пропускать ток при весьма малом падении напряжения в прямом направлении, если прибор открыт управляющим сигналом.
После того как тиристор откроется, он продолжает работать независимо от того, поступает или нет сигнал на его управляющий вывод. Закрыть его можно только уменьшив прямой ток практически до нуля. Тиристоры имеют более сложную, четырехслойную р-п-р-п-структуру, обеспечивающую эти свойства.
Управляемые вентили (штыревые и др.) конструктивно сходны с неуправляемыми (см. рис. 59, а). Отличие их состоит в том, что они, кроме силового (гибкого), имеют еще дополнительный вывод в корпусе от управляющего электрода. В мощных тиристорах толщина кремниевой пластинки, находящейся внутри корпуса полупроводникового прибора, не превышает 0,35 мм. Диаметр ее зависит от пропускаемого тока.
Широкое распространение получили тиристоры (рис. 60, а) и диоды таблеточного типа, так как у них по сравнению со штыревыми существенно увеличена поверхность охлаждения, улучшен теплоотвод и выше стойкость к перегрузкам.
Таблеточные тиристоры и диоды зажимают контактными поверхностями, представляющими собой анодный и ка-
88
годный электроды прибора, между двумя половинками охладителей, которые изолированы друг от друга.
Участок ОА вольт-амперной характеристики (рис. 60, б) соответствует закрытому состоянию тиристора в случае приложения к нему прямого напряжения. Если оно превысит напряжение t/вкло, то тиристор перейдет в открытое состояние (участок А Б), хотя и не будет импульса тока на управляющем электроде. Участки БВ и ОГ вольт-амперной характеристики тиристора аналогичны прямой и обратной ветвям характеристики диода. Участок БО соответствует лавинообразному переходу тиристора из открытого состояния в закрытое при достижении некоторого минимального значения прямого тока (менее 1 А).
Напряжение включения можно значительно снизить, если на управляющий электрод подать импульс тока. Очевидно, что тиристоры должны выдерживать в закрытом состоянии не только обратное напряжение, но и прямое. Переход тиристора в открытое состояние должен происходить только при наличии импульса тока в цепи управления.
Для тиристоров, как и для диодов, основными параметрами являются: предельный прямой ток, обратное повторяющееся напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: прямое повторяющееся напряжение, ток управления, напряжение управления, время включения и выключения, а также ряд других параметров.
Обозначения тиристоров и диодов расшифровываются следующим образом. Например, в марке ДЛ123-320-20 буквы и цифры означают: Д — диод; Л — лавинный; 123 — группа цифр, характеризующих модификацию прибора, условный диаметр и конструктивное
Рис. 60. Общий вид тиристора таблеточной конструкции (а) и его вольт-амперная характеристика (б)
исполнение корпуса; 320 — предельный ток, А; 20 — класс вентиля. В марке Т253-1250-16 буква «Т» означает тиристор, а цифры расшифровываются так же, как в обозначении диода.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕЖИМА ТЯГИ
Неуправляемые выпрямители широко применяют на электровозах переменного тока для питания тяговых двигателей в режиме тяги. Они преобразуют переменный ток в постоянный (пульсирующий). Выпрямители могут быть соединены с обмоткой трансформатора различными способами и вследствие этого имеют различную структуру. Самое простое включение показано
89
Рис. 61. Схема однополупериодного выпрямления (а) и кривая выпрямленного напряжения (б)
Рис. 62. Схемы двухполупериодного выпрямления (а и б) и кривая выпрямленного напряжения (в)
на рис. 61, где выпрямитель состоит из одного диода.
Электродвижущая сила во вторичной обмотке трансформатора, как и в первичной, изменяется по синусоиде. Когда э. д. с., а следовательно, и напряжение U, приложенное к выпрямителю, во вторичной обмотке действуют слева направо (на рис. 61, а направление показано сплошной стрелкой), потенциал анода диода VD выше, чем катода, и через двигатель проходит ток. 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. 61, б). Рассмотренная схема однополупериодного выпрямления на электровозе не используется. Для того чтобы через выпрямитель проходил ток в оба полупериода, применяют схему двухполупериодного выпрямления либо с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, либо мостовую.
В схеме с нулевым выводом вторичную обмотку трансформатора делят на две равные части, выпрямитель и двигатель включают, как показано на рис. 62, а. Когда э. д. с., а следовательно, и напряжение в первый полупериод направлены слева направо (сплошная стрелка на рис. 62, а), проводит ток (открыт) диод VD2, а диод VD1 закрыт. К нему приложено напряжение, действующее в непроводящем направлении. При изменении направления э. д. с. трансформатора на противоположное ток проводит вентиль VD1. Таким образом, в течение обоих полупериодов через двигатель проходит ток, изменяющийся от нуля до амплитудного значения и вновь до нуля.
Недостаток такой схемы выпрямления заключается в том, что в каждый полупериод работает только половина
90
обмотки трансформатора, а это приводит к плохому использованию, а значит, и большему расходу меди.
Выпрямительная установка, собранная по мостовой схеме, состоит из четырех плеч (рис. 62, б). Когда напряжение во вторичной обмотке трансформатора действует слева направо, ток проходит через диод VD1, нагрузку (двигатель), диод VD3 в обмотку трансформатора (сплошные стрелки). При изменении направления напряжения (штриховые стрелки) ток проходит через диод VD2, нагрузку, диод VD4 и возвращается в обмотку трансформатора. Следовательно, как и в предыдущей схеме, ток в каждый полупериод проходит через нагрузку в одном направлении (рис. 62, в).
В мостовой схеме вторичная обмотка тягового трансформатора работает полностью. На первый взгляд кажется, что число вентилей в этой схеме удваивается. Однако напряжение, приходящееся на каждый диод, уменьшается в 2 раза. Поскольку каждое плечо моста VD1—VD4 имеет несколько последовательно включенных вентилей и несколько параллельных ветвей, то общее число диодов, необходимое для выпрямителя, питающего тяговые двигатели и собранного по мостовой схеме (см. рис. 62, б), равно числу диодов в схеме рис. 62, а. Так, один выпрямитель электровоза ВЛ80т(с) имеет в каждом плече моста 12 параллельных ветвей (рис. 63), каждая из которых содержит четыре последовательно включенных лавинных вентиля. Следовательно, в одном выпрямителе имеется 4-4-12= 192 вентиля. Выпрямитель рассчитан на номинальные выпрямленные ток 3200 А и напряжение 1350 В. Он питает два тяговых двигателя. Поэтому на восьмиосных электровозах установлено четыре таких выпрямителя; общее число вентилей в них равно 708. Коэффициент полезного
действия выпрямителя 99%. Выпрямитель размещен в двух шкафах и работает только с принудительным охлаждением. Каждый выпрямитель снабжается довольно сложной защитой.
Управляемые выпрямители, собранные на тиристорах, позволили осуществить не только преобразование переменного тока в постоянный, но и плавное регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям электровозов переменного тока, вместо ступенчатого.
Как же осуществляется плавное регулирование? В выпрямителе, собранном на тиристорах VS по схеме моста (рис. 64, а), можно изменять угол а их включения, т. е. подавать в соответствующие моменты управляющие импульсы тока /у (см. рис. 60). При этом можно регулировать среднее значение напряжения /7ср от нуля при а= 180° до максимального возможного при а= 0° (рис. 64, б). Последнее соответствует среднему выпрямленному напряжению в неуправляемых выпрямителях (см. рис. 62, в).
Как видно из рис. 64, при таком регулировании, называемом глубоким, возникают большие пульсации напряжения и выпрямленного тока. Это значительно осложняет работу тяговых двигателей. Для устранения таких пульсаций на электровозе ВЛ80р осуществляется более плавное регулирование напряжения. Здесь тяговый трансформатор имеет три секции вторичной обмотки с напряжениями 17т/4,	и
Um/2. Выпрямитель выполнен по мостовой схеме (рис. 65, а), имеет восемь плеч. Предусмотрено четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения, в каждой из которых осуществляется плавное регулирование в пределах четверти амплитуды полного напряжения. Переключение с одной секции на другую тиристоры позволяют осуществлять без
91
Рис. 64. Принципиальная схема плавного регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям (а), и кривые напряжения при глубоком регулировании (б)
тока и необходимость в контакторах с дугогашением отпадает.
Напряжения, возникающие в процессе его плавного изменения в пределах регулируемой секции, складываются с напряжением, индуцируемым в секциях, где уже был завершен этот процесс (рис. 65, б). Поэтому здесь только в первой секции вторичной обмотки (когда на двигатели подается небольшое напряжение) осуществляется глубокое регулирование.
Рис. 65. Упрощенная силовая схема электровоза ВЛ80р (а) и кривые напряжения при зонном регулировании в пределах секция вторичной обмотки трансформатора \б)
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕЖИМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ
На электровозах переменного тока может быть применено как рекуперативное, так и реостатное электрическое торможение.
Рекуперативное торможение. При рекуперации на электровозах переменного тока, 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, как и выпрямление, осуществляют по различным схемам (см. рис. 62).
Объясним принцип инвертирования на примере мостовой схемы (рис. 66, а). Для осуществления рекуперации тяговые двигатели переводят в генераторный режим, обеспечивая их независимое возбуждение. Одновременно изменяют полярность обмоток якорей для
92
того, чтобы направление генерируемого тока соответствовало прямой проводимости тиристоров. Сделать это нетрудно: необходимо установить соответствующее направление тока в обмотках возбуждения ОВ.
Напряжение от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подводится к инвертору, плечи которого соединены по схеме моста. В диагональ моста включена вторичная обмотка тягового трансформатора Т.
Чтобы передать электрическую энергию в контактную сеть, необходимо прежде всего обеспечить прохождение тока двигателя, работающего в режиме генератора, через вторичную обмотку Н2-К2. Ток в ней должен быть направлен встречно по отношению к напряжению в этой обмотке. Предположим, что в первый полупериод напряжение во вторичной обмотке действует слева направо, тогда генерируемый ток должен проходить справа налево. Для этого необходимо открыть тиристоры VS2 и VS4, а в следующий полупериод — тиристоры VS1 и VS3 и т. д. Так как частота тока в контактной сети равна 50 Гц, то в течение I с нужно 100 раз менять направление тока в обмотке Н2-К.2. Кроме того, необходимо, чтобы напряжение, наводимое в первичной обмотке трансформатора, было бы несколько выше напряжения в контактной сети. Только при этом ток из первичной обмотки трансформатора пойдет в контактную сеть.
Укажем на одну очень важную особенность инвертирования. Как уже было сказано, тиристор закрыть при прохождении через него тока нельзя. Поэтому, если, допустим, были открыты тиристоры VS1 и VS3, а затем в начале следующего полупериода откроются тиристоры VS2 и VS4, то образуются две короткозамкнутые цепи: через вентили VS1, VS4 и через VS2, VS3.
Рис. Ь6. Принципиальная схема инвертора
Произойдет так называемое опрокидывание инвертора. Не вдаваясь в физическую суть процесса, отметим лишь, что во избежание короткого замыкания необходимо подать импульс, открывающий тиристоры VS2, VS4 до момента, в который изменяющееся синусоидально напряжение во вторичной обмотке достигнет нулевого значения (рис. 66, б). Угол р, отсчитываемый от момента открытия этих тиристоров до момента, в который напряжение и2 становится равным нулю, называют углом опережения открытия вентилей. В следующий полупериод должны быть открыты с тем же углом опережения тиристоры VS1, VS3 и т. д.
Преобразователи, установленные на электровозе ВЛ80р (см. рис. 65, а), являются управляемыми выпрямителями в тяговом режиме работы электровоза и инверторами в режиме рекуперативного торможения. Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) выполнен на тиристорах Т2-320 14-го и 15-го классов. Каждое из восьми плеч ВИП содержит семь параллельных ветвей с тремя последовательно соединенными тиристорами (исключение составляют 5-е и 6-е плечи, имеющие по два последовательно соединенных тиристора). Таким образом,
93
ВИП содержит 154 силовых управляемых вентиля.
ВИП рассчитан на номинальные выпрямленные ток 1760 А и напряжение 1250 В. Каждый выпрямительноинверторный преобразователь соединен с двумя тяговыми двигателями, т. е. на электровозе ВЛ80р установлено четыре ВИП, общее число тиристоров в них равно 616. Коэффициент полезного действия ВИП 98%. В режиме рекуперативного торможения сохраняется тот же принцип четырехзонного плавного регулирования напряжения инвертора и соответственно тока и тормозного усилия, что и в режиме выпрямления.
В режиме рекуперации тормозное усилие регулируется при высоких скоростях плавным изменением тока возбуждения тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, а при средних и малых — плавным изменением э. д. с. трансформатора, что осуществляется с помощью ВИП.
Изменение тока возбуждения на высоких скоростях движения электровоза осуществляется с помощью управляемой вентильной установки возбуждения (ВУВ). Она унифицирована для элек-
Рис. 67. Упрощенная схема силовой цепи электровоза ВЛ80т (ВЛ80с) в режиме реостатного торможения	'
тровозов ВЛ80т, ВЛ80е и ВЛ80р. Обмотки возбуждения всех двигателей электровоза при этом соединены последовательно.
Эксплуатация электровозов ВЛ80р показала, что среднее количество электрической энергии, возвращаемой в контактную сеть, составляет 10—14% от расходуемой в тяговом режиме на Дальневосточной дороге и 7—10% на других дорогах.
Реостатное торможение на электровозах переменного тока может быть осуществлено по тем же схемам, что и на электровозах постоянного тока.
На электровозах серий ВЛ80т и ВЛ80с для реостатного торможения применяют схему с независимым возбуждением тяговых двигателей (рис. 67). Обмотки якорей всех тяговых двигателей отключают от обмоток возбуждения и включают на отдельные тормозные резисторы /?. Обмотки возбуждения всех тяговых двигателей электровоза соединяют последовательно и подключают к выпрямительной установке ВУВ, состоящей из двух блоков ВУВ1 и ВУВ2.-
Последовательное соединение восьми обмоток возбуждения обеспечивает равенство потоков возбуждения всех тяговых двигателей, что способствует равномерному распределению нагрузок между двигателями при торможении. Выпрямленное напряжение плавно регулируется, что обеспечивается изменением момента открытия тиристоров ВУВ с помощью системы автоматики, позволяющей регулировать ток возбуждения тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме. В зоне низких скоростей для более полного использования возможностей реостатного торможения уменьшают сопротивления тормозных резисторов, включая контакторы 1.
94
Схема выпрямления ВУВ — двух-полупериодная с нулевым выводом (см. рис. 62, а). Такая структура выпрямителя выбрана по следующим причинам. Напряжение питания обмоток возбуждения существенно ниже напряжения, необходимого для питания тяговых двигателей, и неполное использование части вторичной обмотки трансформатора мало увеличивает общий расход меди на электровозе. В связи с небольшим напряжением каждое плечо ВУВ содержит только два последовательно соединенных тиристора: к расчетному числу (в данном случае единице) прибавляют еще один вентиль для повышения надежности. Следовательно, при мостовой схеме потребовалось бы в 2 раза больше полупроводниковых приборов и вспомогательного оборудования, обеспечивающего равномерную нагрузку параллельных ветвей каждого плеча.
Блок ВУВ (см. рис. 67) представляет собой одно плечо, имеющее шесть параллельных ветвей, в каждую из которых входят два последовательно соединенных тиристора ТЛ-200. Выпрямительная установка возбуждения получает питание от вторичной обмотки трансформатора с номинальным напряжением 175 В, выпрямленный ток длительного режима составляет 850 А.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ
Познакомившись с отдельными участками силовой цепи электровоза переменного тока и ее электрическим оборудованием, рассмотрим теперь для одной секции восьмиосного электровоза с неуправляемыми выпрямителями принципиальную несколько упрощенную силовую схему (рис. 68). Ток от токоприемника проходит через дроссель
95
ДП, снижающий уровень помех радиоприему, разъединитель Р, главный выключатель ГВ, первичную обмотку тягового трансформатора на рельсы через колесные пары.
Две вторичные обмотки al-01 и 02-а2 имеют несекционнрованную и секционированную части, которые могут включаться встречно и согласно. От каждой вторичной обмотки питается отдельный выпрямитель. Наименьшее напряжение 58 В подводится к тяговым двигателям при встречном включении обмоток, наибольшее 1218 В — при их согласном включении. Все переключения во вторичной цепи трансформатора, обеспечивающие ступенчатое регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, выполняют с помощью главного контроллера. Переключение выводов секционированной обмотки трансформатора производится без разрыва цепи тяговых двигателей; с этой целью применен переходной реактор ПР.
Для того чтобы знать, какие контакторные элементы замкнуты на каждой позиции главного контроллера, пользуются диаграммой, часть которой показана на рис. 69. Черные жирные линии на диаграмме соответствуют замкнутому положению контакторного элемента. Контакторные элементы с дугогащением обозначают на схемах буквами А, Б, В, Г. В число 30 контакторных элементов без дугогашения входят и четыре для переключения обмоток трансформатора на встречное или согласное соединение.
В силовых цепях электровозов переменного тока обычно применяют небольшое число индивидуальных контакторов и все необходимые переключения осуществляют с помощью групповых аппаратов. Поэтому условные обозначения, указывающие принадлежность контактов к групповым переключателям, не делают. Благодаря тому что
пуск и регулирование скорости тяговых двигателей осуществляют изменением выпрямленного напряжения, оказалось возможным применить постоянное параллельное соединение тяговых двигателей. Отпала также необходимость в пусковых резисторах. Однако при наличии реостатного торможения силовая схема содержит тормозные резисторы (см. рис. 67).
Так как к тяговым двигателям подводится пульсирующий ток, то конструкция их имеет некоторые особенности. Для уменьшения пульсаций (для сглаживания тока) в цепь каждых двух тяговых двигателей после выпрямителя включен сглаживающий реактор СР (см. рис. 68). Он представляет собой
катушку, навитую на стальной сердечник, имеет значительное индуктивное сопротивление и очень малое омическое.
В процессе нарастания тока (участок аб, рис. 70) в реакторе накапливается электромагнитная энергия, что препятствует резкому увеличению тока. С уменьшением тока (участок бв) реактор отдает накопленную энергию в цепь, поддерживая уменьшающийся ток. В результате этого значительно сглаживаются пульсации тока (сплошная линия на рис. 70), однако полностью сгладить их реактор не в состоянии. Поэтому, чтобы еще больше уменьшить пульсацию тока в обмотках возбуждения, параллельно им постоянно
I
Рис. 68. Принципиальная силовая схема, секции восьмиосного электровоза переменного тока с неуправляемыми выпрямителями	I
96
з:
включают шунтирующий резистор R1 (см. рис. 68). Так как обмотки возбуждения обладают относительно большим индуктивным сопротивлением, переменная составляющая тока почти полностью проходит через резистор, имеющий чисто омическое сопротивление, и лишь незначительная часть ее — через обмотку возбуждения. Постоянная составляющая тока распределяется между обмоткой возбуждения и шунтирующим резистором обратно пропорционально омическим сопротивлениям параллельных цепей. Для того чтобы большая часть переменной составляющей тока проходила через резистор, омическое сопротивление его должно быть значительно больше, чем у обмотки возбуждения, и соответствовать ослаблению возбуждения двигателя на 3-5%.
Следовательно, тяговые двигатели электровозов переменного тока постоянно работают в режиме несколько ослабленного возбуждения. Кроме того, предусмотрено три ступени ослабления его, которые получают, включая параллельно обмоткам возбуждения с помощью контакторов (см. рис. 68) резистор R2 (первая ступень), затем часть его (вторая ступень) и, наконец, только индуктивный шунт ИШ.
Как и на электровозах постоянного тока, направление вращения якорей тяговых двигателей изменяют, переключая их обмотки возбуждения реверсором, контакты PI—PIV которого показаны на схеме. С помощью отключа-теля ОД можно отсоединить любой из тяговых двигателей в случае его неисправности. Если выйдет из строя какой-либо выпрямитель, его также можно отключить соответствующими отключа-телями вентилей ВВ. Одновременно отключают и линейные контакторы ЛК в цепи этой же группы двигателей.
Рис. 69. Диаграмма замыкания контакторов
главного контроллера
I
Переменная составляющая
X
Постоянная составляющая
6
а
t
Рис. 70. Кривые выпрямленного тока без сглаживающего реактора (штриховая линия) и при наличии его (сплошная)
Рис. 71. Упрощенная силовая схема с разомкнутыми плечами выпрямительных установок
4—3543
97
Отметим одну особенность подключения тяговых двигателей к выпрямительным установкам. Проще всего, казалось бы, включить их так, как показано на рис. 62, б, т. е. так, чтобы каждый выпрямитель питал одни и те же тяговые двигатели. Практически этого делать нельзя, поскольку на части позиций (на четных) главного контроллера напряжения на двигателях будут неодинаковы.
Чтобы тяговые двигатели были нагружены одинаково и обеспечивали наибольшую силу тяги без нарушения сцепления колес с рельсами, плечи выпрямителей разомкнуты и включены так, как показано на упрощенной схеме рис. 71. Когда напряжение на вторичных обмотках действует слева направо, ток обмотки al-01 проходит через плечо VD1 выпрямителя, тяговый двигатель / (на схеме для упрощения показано по одному тяговому двигателю вместо двух), плечо VD3 и в обмотку al-01.
Ток от обмотки 02-а2 проходит через плечо VD5, тяговый двигатель II, плечо VD7 и возвращается в обмотку 02-а2. Пути токов, соответствующие этому полупериоду, показаны на рис. 71 сплошными стрелками.
В следующий полупериод напряжение в обмотках действует справа налево. Ток из обмотки 01-al проходит через плечо VD6, двигатель II, плечо VD8 и возвращается в обмотку 01-а1 трансформатора. Ток из обмотки а2-02 идет через плечо VD2, двигатель I, плечо VD4 и возвращается в обмотку а2-02. Следовательно, двигатели в течение одного периода изменения 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.
6 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
КОМПРЕССОРЫ И ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ УПРАВЛЕНИЯ
На электровозах тормоза, аппараты управления, песочницы, звуковые сигналы приводятся в действие сжатым воздухом. Получают его с помощью компрессоров. Как правило, устанавливают два поршневых двухступенчатых компрессора.
Двухступенчатые компрессоры (рис. 72) 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 определенного значения, 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 радиатор или воздухопровод, соединяющий цилиндры низкого и высокого давления и размещаемый обычно 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 резервуары, которые чаще всего располагают на крыше электровоза.
Почему на электровозах применяют двухступенчатые компрессоры? Это объясняется тем, что в одноступенчатом компрессоре максимально можно сжать воздух до давления 8-105 Па. В конце 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.
Охладитель
Рис. /2. Схема двухступенчатого компрессора
4
99
Вполне понятно, что чем больше давление сжатого воздуха в цилиндре, тем больше воздушная подушка и тем меньше объем вновь всасываемого воздуха. Кроме того, при сильном сжатии в одной ступени температура воздуха повышается настолько, что смазка в цилиндре может загореться. На электровозах воздух обычно сжимают в первой ступени до давления 34 О5 Па и во второй — до 9 • 105 Па.
Вал приводного электрического двигателя соединяют с коленчатым валом компрессора, используя зубчатый редуктор или муфту (рис. 73).
Источники сжатого воздуха и потребители его вместе с соответствующими аппаратами, трубопроводами, арматурой объединяют в различные пневматические системы в зависимости от их назначения. В электровозах по назначению различают три пневматические цепи с общими источниками сжатого
воздуха — двумя компрессорами: тормозную, вспомогательную и пескопо-дачи. Так же как и электрические, пневматические цепи изображают графически в виде пневматических схем. Машины и аппараты, трубопроводы и другое оборудование показывают, используя условные графические изображения, предусмотренные ЕСКД.
Рассмотрим принципиальную пневматическую схему вспомогательных цепей одной секции восьмиосиого электровоза (рис. 74). Сжатый воздух нагнетается компрессором в три главных воздушных резервуара. Резервуары соединены один с другим и с питающей магистралью РУ1-РУ2. От питающей магистрали через соответствующие приборы воздух поступает в тормозную и вспомогательную системы, а также в систему подачи песка под колесные пары электровоза для прекращения боксования.
Рис. 73. Общий вид компрессора электровоза
100
кВв
Ревун
_________________Электромагнитный вентиль	XI ^ельтй^
Запасной резервуар	защиты
РУв
РУ7
Клапан свистка
Рис. 74. Принципиальная пневматическая схема вспомогательных цепей
Главные резервуары
Компрессор
Фильтр Клапан пневматический Клапан электро-}пневматический
Каппаратам® Р^°Ря
Рукав соевини-Г\Г' тельный .г-| Пневматическая 4г блокировка
Ту?' _
(V) Манометр
Запорна-рееи-‘P4J лировочныи 1-1 кран g Стеклоочиститель
К вспомогательной системе относятся звуковые сигналы, аппараты управления быстродействующим выключателем (или главным выключателем на электровозах переменного тока), токоприемниками, электропневматическими и нагрузочными устройствами. О назначении нагрузочных устройств будет рассказано на с. 139.
Звуковых сигналов на электровозе два — тифон и свисток. Тифон подает громкий низкого тона гудок, свисток — тихий высокого тона; тифоном пользуются в пути следования, свистком — при маневрах. На электровозах последних выпусков устанавливают ревун — аппарат, в котором объединены тифон и свисток. Однако принцип действия и порядок пользования ими те же, что и у предшествующих им сигналов. Давление сжатого воздуха, поступающего в приводы аппаратов управления, стеклоочистителей и токоприемников, с помощью редуктора понижают до 5-105 Па (50 Н/см2).
В воздухопровод, подводящий воздух к приводу токоприемника, включены специальные блокировки. Они не позволяют поднять токоприемник, если не закрыты двери в камеру, где расположено электрическое оборудование, находящееся под напряжением, опасным для жизни.
Для очистки окон на лобовых окнах кабины установлены стеклоочистители, которые включаются и выключаются только запорно-регулировочными кранами.
Сжатый воздух от питающей магистрали одновременно поступает к электромагнитному вентилю защиты, быстродействующему выключателю, элек-тропневматическим аппаратам и в запасной резервуар. Резервуар перед остановкой компрессора электровоза заряжается до давления 9-105 Па и сохраняет сжатый воздух длительное время. Если воздуха в питающей магистрали нет, можно поднять токоприемники, либо подав к ним сжатый воздух из
101
запасного резервуара, либо нагнетая его компрессором другой секции электровоза. Компрессоры на электровозе включены в одну магистраль, соединенную между секциями рукавами РУ7—РУ8.
Все вспомогательные пневматические 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 цепи электровозов переменного тока.
ОХЛАЖДЕНИЕ МАШИН И АППАРАТОВ
В процессе работы тяговых двигателей, выпрямителей, трансформаторов, реакторов, индуктивных шунтов, пусковых реостатов, двигателей, вспомогательных машин и другого оборудования выделяется тепло. Если это тепло не отводить, то мощность машин и аппаратов нельзя будет использовать полностью, так как они могут перегреться и выйти из строя. Поэтому их охлаждают, используя специальную принудительную вентиляцию. Непрерывный поток охлаждающего воздуха создается центробежными вентиляторами.
Рис. 75. Схема центробежного вентиля юра \
Поясним, как работает вентилятор. При вращении вентиляторного колеса (ротора), снабженного лопатками (рис. 75), центробежная сила отбрасывает молекулы воздуха к наружной части колеса и они попадают в расширяющийся кожух. Скорость молекул воздуха в кожухе начинает 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, сетку приемного отверстия вентилятора к его лопастям, заполняя разреженное пространство. Форкамера изолирует вентиляционную систему от остального помещения кузова. Скорость воздуха, подающегося через жалюзи в форкамеру, резко снижается и взвешенные частицы снега, влаги и пыли осаждаются, т. е. в кузов поступает очищенный воздух.
На восьмиосных электровозах постоянного тока в каждой секции установлен один вентилятор. Воздух в его кожухе (рис. 76) разделяется на два потока: один используется для охлаждения тяговых двигателей, двигателя компрессора и вентиляции кузова, другой направляется по двум воздуховодам для охлаждения резисторов ослабления возбуждения, пусковых реостатов и индуктивных шунтов. Выброс воздуха в атмосферу производится через лабиринтные щели в крыше над высоковольтной камерой.
Сложнее система охлаждения электровозов переменного тока (рис. 77). Воздух, всасываемый через жалюзи
102
Рис. 76. Схема системы вентиляции электровоза постоянного тока
двумя центробежными вентиляторами одной секции восьмиосного электровоза, проходит сначала по специальным каналам, охлаждая индуктивные шунты, установленные в нише форкамеры. Затем он подается к тяговым двигателям. На каждые два тяговых двигателя имеется один вентилятор.
Охлаждающий воздух через люк (см. рис. 14) поступает сначала к интенсивно нагреваемому узлу двигателя — коллектору и затем через отверстия в его остове выходит наружу. Часть воздуха из воздухопроводов через патрубки поступает к выпрямительной установке возбуждения и в кузов, создавая в нем повышенное давление, благодаря чему пыль с железнодорожного полотна, которая содержится в воздухе, не попадает в кузов. На электровозе ВЛ80р для охлаждения блоков ВУВ и резисторов, используемых в ре
жиме рекуперативного торможения, установлен отдельный центробежный вентилятор.
В каждой секции электровоза имеются еще два спаренных вентилятора, приводимых в действие одним двигателем. Они насажены на разные концы вала этого двигателя, и лопасти их вращаются в противоположных направлениях. Воздух, засасываемый этими вентиляторами, прогоняется через выпрямители и сглаживающие реакторы. Затем часть воздуха выбрасывается в атмосферу, а оставшаяся часть его охлаждает секции теплообменника тягового трансформатора, после чего также выходит в атмосферу. В теплообменнике воздух охлаждает трансформаторное масло, омывающее обмотки трансформатора.
На электровозах переменного тока по сравнению с электровозами по-
103
Вентиляторы Блок тормозных резисторов
Вентиляторы
Рис. 77. Схема системы вентиляции электровоза
стоянного тока требуется большая мощность для привода вентиляторов, а следовательно, и больший расход электроэнергии. Понятно, это отрицательно сказывается на к. п. д. электровоза.
ГЕНЕРАТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Питание цепей управления, освещения и сигнализации производится от специальных генераторов управления. Эти генераторы позволяют получить напряжение, не опасное для обслуживающего персонала. На отечественных электровозах как постоянного, так и переменного тока цепи управления, освещения и сигнализации питаются постоянным током напряжением 50 В. ,
переменного тока
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 и т. д. При работе электровозов по так называемой системе многих единиц, когда один машинист управляет сразу двумя локомотивами, к генераторам подключается вдвое большее число 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
104
заряд батареи. В случае необходимости аккумуляторы могут заменить генераторы управления. На электровозах переменного тока последних серий для питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи используют выпрямительную установку.
На электровозах постоянного тока с рекуперативным торможением устанавливают преобразователи для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей (см. рис. 47). В каждой секции электровоза имеется по преобразователю, который состоит из генератора и двигателя. Напряжение генератора, например, на электровозе ВЛ 11 составляет 38 В, зато ток может достигать 800 А.
На электровозах переменного тока роль преобразователей для питания обмотки возбуждения в режиме электрического торможения выполняют выпрямительные установки возбуждения (ВУВ).
ПРИВОД ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН
Все вспомогательные машины приводятся в действие электрическими двигателями. 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
105
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, но позволяет использовать электродвигатели, выполненные на оптимальное напряжение.
Двигатели вспомогательных машин на электровозах постоянного тока получают напряжение обычно непосредственно от контактной сети; при этом принимают некоторые специальные меры: увеличивают диаметр коллекторов, включают в цепь демпферные и пусковые резисторы. В качестве привода вспомогательных машин используют электродвигатели последовательного возбуждения, обладающие большой перегрузочной способностью и надежностью. Во время работы электровоза вентиляторы и генераторы управления в отличие от компрессоров действуют непрерывно и их размещают на одном валу с приводным электродвигателем.
На электровозах переменного тока можно выбрать напряжение переменного тока, наиболее благоприятное для электродвигателей вспомогательных машин. Для этого в тяговом трансформаторе, кроме вторичных обмоток, питающих выпрямительные установки, предусматривают еще одну, к которой подключены потребители вспомогательных цепей электровоза, в том числе двигатели вспомогательных машин.
Вспомогательные машины отечественных электровозов переменного тока приводятся в действие трехфазными короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Они наиболее просты по кон-
Рис. 78. Схема, поясняющая устройство расщепителя фаз
струкции, дешевы и надежны в эксплуатации.
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, для чего используют специальную электрическую машину — асинхронный расщепитель фаз (рис. 78).
Так же как и трехфазный асинхронный двигатель, расщепитель фаз состоит из статора и ротора, выполненного в виде «беличьей клетки». В пазы 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 цепь).
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 э. п. с. 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 одним концом со вспомогательной обмоткой трансформатора через резистор R. В результате этого магнитные потоки обмоток а, Ь, с оказываются сдвинутыми по фазе. Сдвиг по фазе достаточен для создания вращающего магнитного потока, и ротор расщепителя фаз начинает вращаться. Как только ротор достигнет установленной частоты вращения, специальное реле отключит пусковой резистор. После этого вращающий момент образуется так же, как 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, складываясь, вызывают в генераторной обмотке э. д. с. Эта э. д. с. 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 некоторых электровозах переменного тока часть вспомогательных ма
106
шин приводят в движение двигателями постоянного тока. Например, на электровозе ВЛ80т установлено четыре таких двигателя. Два из них (серводвигатели) осуществляют поворот вала групповых переключателей, два других приводят в действие вспомогательные компрессоры (см. рис. 74). Двигатели вспомогательных компрессоров питаются от аккумуляторной батареи, и их включают в работу, когда на электровозе необходим сжатый воздух, а напряжения в контактной сети нет. Серводвигатели при нормальной работе электровоза получают питание от генератора управления или от специальных выпрямительных установок, питающих цепи управления.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ И ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Построение электрической цепи вспомогательных машин зависит от значения напряжения и рода тока, выбранного для питания их привода, способов ограничения пусковых токов, способа обогрева кабин электровоза, характера защиты цепей от перегрузок и коротких замыканий. Электрические цепи привода вспомогательных машин на электровозах постоянного и переменного тока значительно различаются.
Электровозы постоянного тока. Рассмотрим схему вспомогательных цепей одной секции электровоза постоянного тока ВЛ 11, показанную на рис. 79. Вспомогательные цепи каждой секции включают в себя электромашинный преобразователь АМ-Г, электродвигатель компрессора МК, электродвигатель вентилятора МВ и восемь электрических печей Пч1—Пч8 мощностью 1 кВт каждая. Это оборудование объединено в общую цепь, для защиты которой от перегрузок и коротких замыканий
107
применены различного рода реле (в частности, дифференциальное ДР), воздействующие на быстродействующий выключатель БВ.
Электромашинный преобразователь, состоящий из двигателя и генератора, смонтированных на одном валу, служит для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперации (см. рис. 47, б).
Электродвигатели вентиляторов могут работать в режимах высокой и низкой скорости. При работе в режиме высокой скорости к двигателям вентиляторов подводится полное напряжение контактной сети 3000 В. Когда венти-
Рис. 79. Принципиальная схема высоковольтных вспомогательных цепей секции электровоза ВЛ11
ляторы работают в режиме низкой скорости на двухсекционном электровозе и двух двухсекционных электровозах, управляемых по системе многих единиц, соединяют последовательно два двигателя вентиляторов (напряжение 1500 В на каждом двигателе), а на трехсекционном — три (на каждом двигателе напряжение 1000 В). Переключение с одного режима на другой производится специальным дистанционным двухпозиционным переключателем вентиляторов ПкВ (см. рис. 79).
Переключатели вентиляторов Пк.В могут быть кулачкового или барабанного типа. Электровозы ВЛ8 и ВЛ 10 имеют переключатели, подобные по устройству реверсору (см. рис. 44). Разница заключается только в ином расположении кулачков. На электровозе ВЛ 11 установлен переключатель барабанного типа.
Так как генераторы управления приводятся во вращение двигателями вентиляторов, то при переходе с высокой частоты вращения на низкую соответственно уменьшается и напряжение генераторов. Если в режиме высокой частоты вращения 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. Для этого используют переключатель вентиляторов, на котором предусмотрены дополнительные сегменты и пальцы.
Кабины машиниста отапливаются электрическими печами Пч1—Пч8; они включены в две параллельные группы по четыре последовательно в каждой. Для обогрева недействующей кабины машиниста соединяют последовательно
108
восемь печей: для этого нож переключателя Рз2 нужно поставить в верхнее положение и включить соответствующую кнопку Электрические печи 1 группы, (на рис. 79 контактор К52).
На электровозах ВЛ8 и ВЛ 10 установлено по шесть электрических печей в кабине; они также разбиты на две параллельные группы. 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 частота вращения двигателей вентиляторов изменяется; изменяется и напряжение генераторов управления. Чтобы автоматически поддерживать напряжение генераторов постоянным, используют специальные регуляторы напряжения. В зависимости от частоты вращения двигателей эти регуляторы изменяют значение тока возбуждения, вводя в цепь возбуждения или выводя из нее резисторы или подключая их параллельно обмоткам возбуждения.
Автоматическое включение и выключение компрессоров осуществляется специальным регулятором давления. Регулятор выключает компрессор, когда давление в главных резервуарах достигает 9-105 Па (и вновь включает, когда оно понизится до 7,5-105 Па). Разность в давлении 1,5-105 Па не сказывается на работе аппаратов, приводимых в действие сжатым воздухом (тем более, что ко всем аппаратам, за исключением устройств пескоподачи и звуковых сигналов, сжатый воздух подводится через понижающие редук-
торы), зато оказывается возможным реже включать и выключать компрессоры. Это снижает расход электрической энергии и уменьшает износ оборудования.
Для облегчения условий пуска в цепях электродвигателя вентилятора МВ и преобразователя АМ-Г установлены электромагнитные контакторы К56 и К57, автоматически шунтирующие пусковые резисторы после запуска машин. Каждая из вспомогательных цепей, содержащая двигатели, имеет постоянно включенные демпферные резисторы для ограничения токов в двигателях.
Вспомогательные машины и электрические цепи включаются электромагнитными контакторами К51—К55, управляемыми кнопочными выключателями из кабины машиниста. (На рис. 79 во включенном положении находятся цепи мотор-вентилятора и мо-тор-компрессора.)
Электровозы переменного тока. Рассмотрим схему вспомогательных цепей восьмиосного электровоза переменного тока на примере секции электровоза ВЛ80р (рис. 80). Расщепитель фаз ФР присоединен параллельно к шинам >7 Х2, ХЗ. Шипы XI н Х2 подключены к обмотке собственных нужд трансформатора, рассчитанной на 400 В.
Пуск расщепителя фаз, как уже было сказано, осуществляется с помощью пускового резистора R. Потребителями трехфазного тока являются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором: МВ1, МВ2 — вентиляторов охлаждения тяговых двигателей; МВЗ, МВ4 — спаренных вентиляторов охлаждения выпрямительно-инверторных преобразователей, сглаживающих реакторов, радиаторов тягового трансформатора; МВ5 — вентилятора охлаждения блока стабилизирующих резисторов и выпрямительной установки
. К цепям управления ВУВ Кпатре-бителям рвншраз-ноеотко
Рис. 80. Принципиальная схема высоковольтных вспомогательных цепей секции электровоза ВЛ80р
109
возбуждения; МК— компрессора; МН — масляного насоса системы охлаждения трансформатора.
Перечисленные асинхронные двигатели включаются соответствующими контакторами; при этом включаются конденсаторы между линейной и генераторной фазами двигателя (кроме электродвигателя МН), что облегчает запуск и условия работы двигателей, так как улучшается симметрия трехфазной системы.
Электродвигатель вентилятора МВ5 включается только в режиме рекуперативного торможения.
Отметим, что на электровозах ВЛ80 других модификаций установлено по четыре двигателя для вентиляции силового оборудования каждой секции. Охлаждение оборудования, используе
мого в режиме торможения, осуществляется спаренными вентиляторами.
Все двигатели 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 допускается снижение напряжения в контактной сети до 19 000 В. Для того чтобы по-прежнему к вспомогательным машинам подводилось напряжение 400 В, с помощью переключателя П их подключают к выводу 0 обмотки собственных нужд трансформатора. Вольтметры, включенные во вспомогательные цепи (см. рис. 79 и 80), отградуированы по напряжению контактной сети.
7 УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗАМИ
И ЗАЩИТА ИХ В НЕНОРМАЛЬНЫХ
РЕЖИМАХ
НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ
И КОСВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ.
КОНТРОЛЛЕРЫ МАШИНИСТА
Машинисту приходится управлять электровозом, на котором установлены тяговые двигатели суммарной мощностью несколько тысяч киловатт. Кроме того, на электровозе имеются различные вспомогательные машины, электрические аппараты, тормоза, которые также нужно приводить в действие или выводить из работы. Наряду с этим машинист обязан следить за показаниями путевых сигналов, состоянием пути, контактной сети, заботиться о том, чтобы не боксовали колесные пары, не происходило резких перепадов силы тяги. После пуска и разгона состава машинисту необходимо контролировать скорость движения и приводить ее в соответствие с разрешенной на данном участке.
Очень внимательным должен быть машинист в момент перехода на электрическое торможение, так как может возникнуть круговой огонь на коллекторе из-за сильных бросков тока. Кроме того, в процессе электрического торможения возможен юз (заклинивание) колесных пар. Если его быстро не устранить, появляются ползуны на бандажах колес и бандажи приходится преждевременно обтачивать.
Для облегчения работы машиниста созданы системы управления различными устройствами электровоза. В первую очередь остановимся на системе
111
управления силовой цепью. Эта система должна обеспечивать строгую последовательность включения и выключения индивидуальных контакторов, контакторов групповых переключателей и других аппаратов в течение небольшого времени, которое затрачивается на их переключение.
В зависимости от способа переключений электрических аппаратов в силовой цепи электровоза различают системы непосредственного и косвенного управления.
При системе непосредственного управления (рис. 81) электрические аппараты, включенные в силовую цепь, приводятся в действие непосредственно контроллером машиниста.
В простейшем случае контроллер имеет барабан из изоляционного мате-
Рис. 81. Схема включения контроллера машиниста при непосредственном управлении тяговыми двигателями
риала. На барабане укреплены медные сегменты и неподвижные контактные пальцы, к которым подведены провода от разных участков 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 реостата и осуществляют другие переключения, изменяющие 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 верхних пальца; при этом образуется следующая цепь тока: токоприемник, пусковой реостат, тяговый двигатель. На 2-й позиции происходит электрический контакт между сегмен-
Рис. 82. Схема включения контроллера машиниста при косвенном управлении тяговыми двигателями
112
том и третьим пальцем, в результате чего часть пускового реостата выводится из цепи и частота вращения двигателя увеличивается. На 3-й позиции замкнуты все четыре пальца и реостат полностью выведен из цепи.
Система непосредственного управления может быть применена только при двигателях небольшой мощности и сравнительно невысоком напряжении в контактной сети. Объясняется это следующим. Когда мощность двигателей значительна, в момент разрыва цепи тока будет возникать электрическая дуга, погасить которую при такой системе переключений трудно. К контроллеру подводится полное напряжение контактной сети, что создает опасность для обслуживающего персонала. Кроме того, чтобы обеспечить достаточную электрическую прочность изоляции, контроллер пришлось бы делать очень больших размеров. Поэтому на электровозах система непосредственного управления не применяется.
В системе косвенного управления (рис. 82) аппараты силовой цепи приводятся в действие электропневматиче-ским, электромагнитным или электро-двигательным приводом. 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 здесь этот аппарат производит переключения не непосредственно в силовой цепи, работающей под высоким напряжением и с большими токовыми нагрузками, а в низковольтной цепи управления.
Машинист, поворачивая рукоятку контроллера, подключает провода цепи управления к источнику электрической энергии в строго определенной последовательности. При этом срабатывают
соответствующие аппараты 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. 82). Контактор включается и замыкает цепь тяговых двигателей. Пусковой реостат полностью вводится в силовую цепь. На 2-й позиции контроллера замыкается контактор 2 и часть пускового реостата отключается. На 3-й позиции включается контактор 3. Реостат полностью выводится из цепи, и двигатели работают на ходовой безреостатной характеристике.
На современных электровозах машинист с помощью контроллера осуществляет пуск тяговых двигателей, переключает их с одного соединения на другое, производит ослабление возбуждения, 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, например, электровоза постоянного тока (рис. 83) имеет рукоятки — главную, реверсивную и для управления ослаблением возбуждения. На электровозах с электрическим торможением (рекуперативным) рукоятка ослабления возбуждения используется и как тормозная — для регулирования тока рекуперации. Кроме того, в этом случае добавляется еще одна рукоятка — реверсивноселективная, необходимая для переключения двигателей, работающих в генераторном режиме, с одного вида соединения на другой.
Каждая рукоятка снабжена устройством, фиксирующим ее в различных положениях (позициях). Рукоятки кон-
Рис. КЗ. Контроллер машиниста электровоза
постоянного тока
Рис. 34. Главный кулачковый вал контроллера
машин иста
113
Рис. 85. Схема контакторного элемента в разомкнутом (а) и замкнутом (б) положениях
троллера располагают так, чтобы машинисту было удобно ими пользоваться. Специальные механические блокировки не допускают ошибочных перемещений рукояток в процессе управления электровозом. Например, главную рукоятку нельзя перевести, если реверсивная находится в нейтральном (нерабочем) 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 когда остальные рукоятки находятся в нулевом (исходном) положении. На электровоз выдается одна реверсивная рукоятка. Поэтому машинист при переходе из одной кабины управления в другую обязательно ставит все рукоятки в нулевое положение.
Рукоятку ослабления возбуждения можно перевести из положения Полное возбуждение в одно из положений Ослабленное возбуждение 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 главный кулачковый вал. На вал насажен ряд фасонных дисков (кулачковых шайб) с впадинами и выступами (рис. 84). Против каждой шайбы на стойках укреплены подвижные и неподвижные контакты (контакторные элементы), к которым присоединены провода цепей управления. Если выступ диска касается ролика, то контакты разомкнуты (рис. 85, а). Как только впадина диска подойдет к ролику, он провалится в нее и под действием пружины контакты замкнутся (рис. 85, б). Это значит, что 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 зависят от взаимного расположения впадин и выступов кулачковых шайб контроллера.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ БЛОКИРОВКИ
Электрические аппараты силовой цепи должны включаться и выключаться в строго установленной последовательности. Для обеспечения тре
114
буемой очередности действия этих аппаратов большинство из них снабжено специальными блокировочными контактами (блок-контактами), иначе говоря, 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 цепи управления.
Применяют два вида блок-контак-тов: 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 по цепи управления.
Размыкающий блок-контакт разрывает блокируемую цепь, когда по цепи управления проходит ток, и наоборот, замыкает ее при нормальном положении аппарата. Что принимают за нормальное положение аппаратов, было сказано выше (см. с. 24—25). Чтобы можно было определить, какому аппарату принадлежит тот или иной блок-контакт, около графического обозначения блок-контакта указывают номер аппарата, присвоенный ему в силовой схеме, или его буквенное обозначение. В соответствии со стандартами ЕСКД блок-кон-такты электрических аппаратов имеют те же обозначения, что и их главные контакты.
Поясним на примерах, как с помощью блок-контактов обеспечивают заданную последовательность действия аппаратов (рис. 86).
Допустим, что для нормальной работы электровоза необходимо выдержать три условия:
первое — контактор 1 может замыкать свои контакты на 1-й позиции толь
ко тогда, когда групповой переключатель находится в положении, соответствующем последовательному соединению двигателей. Для обеспечения такой зависимости в цепь катушки 1 электромагнитного вентиля контактора включен блок-контакт группового переключателя, замыкающийся при положении аппарата, соответствующем последовательному соединению тяговых двигателей. На схемах электрических цепей электровозов такой блок-контакт обозначается КСП-С-,
второе — контактор 2 должен включаться на 1-й позиции контроллера только после того, как включится контактор 1. Для этого в цепь катушки 2 электромагнитного вентиля контактора введен замыкающий блок-контакт контактора 1;
третье — контактор 3 должен включиться 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-
Рис. 86. Пример включения блокировок в цепь управления
115
рычага контактора	пластина
Рис. 87. Блокировочное устройство индивидуального контактора
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 шунтирует блок-контакт 1. Таким образом, в дальнейшем контактор 2 будет включен независимо от того, включен или выключен контактор 1.
В качестве примера конструктивного выполнения рассмотрим блокировочное устройство, показанное на рис. 87. При впуске сжатого воздуха в цилиндр контактора (рис. 87, а) изоляционный
стержень поднимается вверх. Колодка, соединенная рычагом и тягой с этим стержнем, поворачивается вокруг оси рычага. Медная контактная пластина, укрепленная на колодке, замыкает блокировочные пальцы. На рис. 87, б показан блок-контакт замыкающий. В размыкающем блок-контакте контактная пластина расположена так, как изображено на рис. 87, в.
СХЕМА ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрические цепи управления электровозов можно разделить на две части: цепи управления тяговыми двигателями и вспомогательные цепи управления. К вспомогательным относятся цепи управления токоприемниками, быстродействующими выключателями, вспомогательными машинами, песочницами, освещением, звуковыми сигналами и другим электрооборудованием. Совместная схема цепей управления тяговыми двигателями и вспомогательных цепей занимает много места и дается в виде вклеек в учебниках и руководствах по эксплуатации электровозов, прилагаемых заводами-изготовителями.
Мы рассмотрим схемы цепей управления тяговыми двигателями, электровозов постоянного тока, представленные в сравнительно упрощенном виде. Эти схемы довольно сложны, так как в них введены многочисленные блокировки, обеспечивающие те или иные зависимости. Их, как и схемы силовых цепей, выполняют строчным способом. Как пример на рис. 88 показана упрощенная схема цепей управления тяговыми двигателями электровоза ВЛ 10.
Как и в силовых схемах, в схемах цепей управления используются буквенные и цифровые обозначения. Все го-
116
КСПИ-С-СП КСЛ1-С-СП	кспо-с
Главный бал
кспг-с-сп
10-2 кспг-п кст-л
В цепь управления в В
Рис. 88. Упрощенная схема цепей управления восьмиосного электровоза постоянного тока с рекуперацией
117
Рис. 89. Пример развертки шайбы кулачкового вала контроллера
ризонтальные строки схемы цепей управления нумеруют. Так, для схемы, изображенной на рис. 88, строки имеют номера с 0 по 47. Некоторые строки имеют буквенно-цифровые обозначения, например Б, К5, К37. Для упрощения на схеме изображены только те строки — линии связи, которые необходимы для рассмотрения принципа ее работы.
Цепи управления питаются от генератора управления ГУ. Параллельно генератору включают аккумуляторную батарею, питающую эти цепи при опущенном токоприемнике, а также в случае неисправности генераторов.
На отечественных электровозах применено однопроводное питание. Это значит, что один полюс генератора управления (обычно положительный) соединен проводами с аппаратами, а другой — с рамой кузова электровоза, к которой присоединены соответствующие выводы обмоток аппаратов. Такой способ соединения позволяет уменьшить число и длину проводов, упрощает монтаж.
118
Для того чтобы можно было прочитать схему, необходимо увязать состояние ее элементов в данный момент с расположением выступов и впадин шайб контроллера, так как от этого зависит, в каком положении находятся контакты аппаратов — замкнуты они или разомкнуты. Обычно это делается так: каждую кулачковую шайбу (рис. 89, а) развертывают в плоскость (рис. 89, б) и делят ее вертикальными линиями на столько равных частей, сколько позиций имеет главная рукоятка.
Замыкание или размыкание цепей проводов управления осуществляется следующим образом: при повороте рукоятки главного вала контроллера машиниста кулачковая шайба давит своим выступом на ролик и размыкает контакты в цепи управления. Как только выступ шайбы пройдет ролик, пружина повернет рычаг и снова замкнет контакты в цепи управления.
На развертке замкнутое положение контакта показывают зачерненным прямоугольником. Если контакторный элемент остается включенным на нескольких соседних позициях контроллера, то показывают сплошную зачерненную линию. На рис. 89 показана одна из кулачковых шайб главного вала контроллера машиниста электровоза ВЛ 10 (см. левую часть рис. 88). Когда контакт 13 цепи управления замкнут, провод 13 получает питание на позициях с 3-й по 23-ю, а также на 27-й и 37-й в соответствии с расположением кулачков на этой шайбе.
Число горизонтальных линий на развертке главного вала соответствует числу кулачковых шайб, посаженных на вал. Главный вал имеет 23 кулачковые шайбы, это обеспечивает 37 позиций (не считая нулевой). Тормозной вал набран из 22 кулачковых шайб, что позволяет получить четыре позиции ослабления возбуждения и 16 позиций тормо
жения. Реверсирование тяговых двигателей и выбор схемы их соединения в тормозном режиме обеспечиваются отдельной реверсивно-селективной рукояткой, а управляемые ею кулачковые шайбы располагаются на главном и тормозном валах.
С правой стороны разверток валов показаны контакты контроллера машиниста (см. рис. 88). Номера линий одновременно являются и номерами этих контактов. Как было показано на примере кулачковой шайбы с контактом 13, они замыкаются и размыкаются в зависимости от положения рукояток того или иного вала.
Изучая схему цепи управления, на каждой позиции контроллера машиниста рассматривают прохождение тока и определяют, какие аппараты при этом срабатывают в силовой цепи.
Проследим, например, что происходит в цепи управления, когда главная рукоятка контроллера машиниста переводится с нулевой позиции на 1-ю. Перед этим машинист должен поднять токоприемник, включить выключатель цепи управления ВУ, соединяющий цепи управления электровоза с генератором ГУ, пустить в ход вспомогательные машины, включить быстродействующий выключатель. Вспомогательные машины включают, чтобы создать компрессорами запас сжатого воздуха, необходимый для работы приводов аппаратов, обеспечить работу двигателей вентиляторов и генератора управления.
Для включения быстродействующего выключателя машинист нажимает кнопку БВ (см. рис. 7), расположенную перед ним на кнопочном щите. При этом по проводу /(50 напряжение подводится к кнопке Возврат БВ. При кратковременном нажатии на эту кнопку по контакторному элементу 47 контроллера машиниста (показанному также и на рис. 88) напряжение подается на катушку вентиля Возврат БВ и по проводу Н14 на катушку дифференциаль
ного реле 52-1. Дифференциальное реле замыкает свой контакт в цепи удерживающей катушки БВ: провод 05, замыкающий контакт дифференциального реле 52-1, блок-контакт тормозного переключателя ТК1-М, удерживающая катушка БВ, земля. После того как удерживающая катушка получит питание, замкнутся силовые контакты быстродействующего выключателя — аппарат будет включен. Сигнальная лампа Е438-1, расположенная на пульте управления в кабине машиниста, погаснет, поскольку блок-контакт 51-1 в проводе К62 при этом разомкнется.
Цепь катушки вентиля Возврат БВ проходит через контакторный элемент 47 контроллера машиниста, замкнутый только на нулевой позиции. Это не случайно. Если в процессе работы электровоза произойдет отключение быстродействующего выключателя вследствие короткого замыкания или токовых перегрузок в силовых цепях тяговых двигателей, то машинист может вновь включить его только при разомкнутой силовой цепи. Аварийная ситуация может возникнуть и в том случае, когда машинист после рабочего отключения этого выключателя включит его на промежуточной позиции.
Скорость движения за время выбега, как правило, уменьшается (если нет крутых спусков). Тогда в момент включения тяговые двигатели будут иметь значительно меньшую э. д. с., чем прежде, а в цепь может быть введено слишком малое сопротивление реостата. В результате возникнет недопустимый бросок тока и сработает защита.
После включения быстродействующего выключателя реверсивно-селективную рукоятку контроллера машиниста устанавливают в положение Вперед или Назад на позиции М, которая соответствует тяговому режиму (см. рис. 88). При этом замыкается контакторный элемент 3 реверсивно-селектив
119
ного вала и катушки тормозных контакторов TRI-М и ТКН-М получают питание, что приводит к установке их контакторов в силовой цепи и блок-контак-тов в цепи управления в положение, соответствующее этому режиму. В зависимости от положения реверсивно-селективной рукоятки подготавливаются следующие цепи управления. В положении Вперед замыкается контакторный элемент 1 и катушки Bn. 1 и Вп. 2 получают питание по проводу НПО от ГУ или аккумуляторной батареи, а их блок-контакты замыкаются (в таком положении они показаны на рис. 88); в положении Назад замыкается контакторный элемент 2 реверсивно-селективного вала и питание получают катушки Наз. 1 и Наз. 2 по тому же проводу НПО, замыкая свои блок-контакты.
Далее напряжение от источника питания по проводам 1 или 2 подается через замкнутые в тяговом режиме блок-контакты TKJ-M, ТКП-М и 51-1 (он замкнут при включенном быстродействующем выключателе) на катушки 3-1, 4-1, 3-2 линейных контакторов, но тока в цепи нет, поскольку разомкнут блок-контакт 4-1.
Цепь замкнется только после того, как машинист переведет рукоятку главного вала на 1-ю позицию. При этом замыкается контакторный элемент 0 и по проводу К19 через замкнутые блок-контакты групповых переключателей КСПО-С, КСП1-С-СП, КСПП-С-СП и контакторный элемент Б тормозного вала рассматриваемая цепь будет соединена с землей.
После возбуждения катушки линейного контактора 4-1 его блок-контакт замыкает цепь линейных контакторов в обход блок-контактов групповых переключателей. Такая последовательность включения линейных контакторов обеспечивает их включение только на 1-й позиции главного вала, т. е. контроли
120
руется окончательная установка всех аппаратов (в первую очередь групповых переключателей) в положение, соответствующее последовательному соединению тяговых двигателей. Кроме того, если бы главная рукоятка контроллера машиниста случайно была поставлена на 2-ю или более высокую позицию, когда часть пускового реостата шунтирована, то через якоря тяговых двигателей, которые еще не вращаются, пошел бы слишком большой ток. Поэтому на остальных позициях силовая цепь не может быть собрана.
После включения линейных контакторов на 1-й позиции главного вала контроллера машиниста создается цепь последовательно включенных тяговых двигателей с полностью введенным пусковым реостатом. На этой же позиции замкнуты контакторный элемент 23 и некоторые другие, которые в этом описании опущены. Тем самым подготавливаются цепи включения реостатных контакторов. На рис. 88 показана катушка только одного из них под номером 11-2.
. Как уже было сказано, в электрической схеме электровоза ВЛ 10 предусмотрено ослабление возбуждения тяговых двигателей на 1-й позиции. Для этого на главном валу контроллера машиниста имеются два дополнительных контакторных элемента К5 и К37, которые замыкаются только на 1-й позиции. Через эти контакторные элементы от провода 3 (напряжение на него подается только в режиме тяги в соответствии с разверткой реверсивно-селективного вала) получают питание катушки вентилей электропневматических контакторов ослабления возбуждения тяговых двигателей: 13-1, 13-2 — от провода К5; 14-1, 14-2 — от провода К37 через блок-контакт тормозного переключателя TKJI-M и провод 27.
На 2-й позиции главного вала конт
роллера машиниста контакторные элементы К5 и К37 размыкаются и отключают контакторы обмотки возбуждения тяговых двигателей; двигатели начинают работать при полном возбуждении.
На 3-й позиции замыкается контакторный элемент 13 главного вала, заземляя цепь питания катушки индивидуального контактора 11-2. «Плюс» источника питания соединяется с катушкой через контакторный элемент 23, замкнутый еще на 1-й позиции.
Контакторные элементы 11—22 главного вала (на рис. 88 показаны только элементы 13 и 22) предназначены для подключения участков цепи управления, содержащих катушки индивидуальных контакторов пусковых реостатов. Очередность включения контакторов определяется разверткой кулачковых шайб главного вала контроллера машиниста. Вывод реостатных секций (включение контакторов) продолжается до 16-й позиции. Эта позиция — ходовая. На ней оказываются включенными цепи проводов 1(2), 3 реверсивноселективного вала и цепи катушек индивидуальных контакторов пусковых реостатов, в частности 10-2 и 11-2 на рис. 88. Контакты индивидуальных контакторов шунтируют секции пускового реостата в силовой цепи тяговых двигателей.
На 16-й позиции (и ходовых позициях 27-й и 37-й) может быть осуществлено ослабление возбуждения тяговых двигателей. Для этого рукоятку тормозного вала устанавливают в положение ОВ1 и далее в соответствии с режимом движения поезда перемещают ее на позиции ОВ2, ОВЗ, ОВ4.
Когда тормозная рукоятка находится в положении ОВ1, через контакторный элемент 46, блок-контакт тормозного переключателя ТК.1-М питание подается на катушки контакторов 13-1
и 13-2. Контакторы включаются и шунтируют обмотки возбуждения полностью введенными резисторами. Перемещение тормозной рукоятки в положение ОВ2 приводит к возбуждению вентилей контакторов 14-1 и 14-2 по цепи через контакторный элемент 27. Силовые контакты вентилей отключают часть резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения тяговых двигателей. Для перехода на следующие ступени ослабления возбуждения предусмотрены цепи управления, аналогичные рассмотренным. Замыкание их в соответствии с разверткой кулачковых шайб тормозного вала приводит к уменьшению сопротивления резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения тяговых двигателей, и тем самым к увеличению степени ослабления возбуждения.
Необходимо отметить, что система блокировок, не показанная на рис. 88, позволяет применять ослабление возбуждения тяговых двигателей только на ходовых позициях контроллера машиниста.
Итак, мы рассмотрели последовательность действий машиниста и соответствующие им преобразования в цепи управления, которые обеспечивают движение электровоза на последовательном соединении тяговых двигателей.
Переводя главную рукоятку на 17-ю позицию, машинист собирает схему цепи управления, необходимую для перехода двигателей с последовательного на последовательно-параллельное соединение: отключаются некоторые индивидуальные контакторы пускового реостата и часть его вновь вводится в цепь тяговых двигателей. Одновременно с этим замыкается контакторный элемент 7 и возбуждаются вентили группового переключателя КСПО.
Подробное описание этого перехода заняло бы много места. Кроме того, потребовалось бы значительно усложнить
121
схему, показанную на рис. 88 и выполненную в расчете на читателя, который только начинает знакомиться с устройством электровозов. Принцип чтения схемы остается тем же: по разверткам валов определяют положение контакторных элементов, которые замыкаются или размыкаются на данной позиции по сравнению с предыдущей, прослеживают цепи от источника питания до земли, выявляя катушки контакторов, которые получили (или наоборот потеряли) питание и вследствие этого изменили на противоположное положение своих контактов в силовой цепи и блок-контактов в цепи управления.
Необходимо отметить, что, начиная с 17-й позиции, включается в работу групповой переключатель КСПО, предназначенный для переключения тяговых двигателей с последовательного на последовательно-параллельное соединение, а с 27-й — групповые переключатели КСП1 и КСПН, переключающие двигатели с последовательно-параллельного на параллельное соединение. Поскольку время срабатывания индивидуальных контакторов меньше, чем групповых, то блок-контакты последних выполняют еще одну функцию — обеспечивают включение реостатных контакторов только после установки групповых переключателей в соответствующее положение.
Электрическая цепь управления благодаря блок-контактам обеспечивает необходимую последовательность работы аппаратов при обратном перемещении главной рукоятки контроллера машиниста.
Описание цепей управления будет неполным, если мы ограничимся рас-смотрениехМ только режима тяги, так как на электровозе ВЛ 10 предусмотрено рекуперативное торможение.
Перед переходом в режим рекуперации включают двигатель Д возбуди
122
телей (преобразователей) В, предназначенных для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в этом режиме (см. рис. 47, б). Затем реверсивно-селективную рукоятку устанавливают в одно из выбранных положений (П, СП или С, см. рис. 88) в зависимости от скорости движения электровоза.
При установке ее в положение П от провода ННО через контакторные элементы реверсивно-селективного вала получают питание провода 4, 7, 24. По проводу 7 напряжение подается на катушки группового переключателя КСПО, вал которого поворачивается в положение СП-П. По проводу 24 получают питание катушки групповых переключателей КСП1 и КСПП, валы которых поворачиваются в положение, соответствующее параллельному соединению тяговых двигателей. Нормально разомкнутые блок-контакты этих переключателей КСПО-СП-П, КСП1-П, КСПН-П замыкаются.
После установки реверсивно-селективной рукоятки в положение П рукоятку тормозного вала ставят на позицию 02. При этом замыкается контакторный элемент 26 и по катушкам вентилей тормозных переключателей TKI-T и ТКП-Т проходит ток, замыкающийся по довольно сложной цепи: от провода НПО, через замкнутый контакторный элемент 24 реверсивно-селективного вала, замкнутые блок-контакты КСПО-П, КСП1-П, КСПП-П, катушки ТК1-Т и ТКП-Т, контакторный элемент 26 тормозного вала к земле.
Тормозные переключатели ТК1-Т и ТКП-Т устанавливаются в положение, соответствующее рекуперативному режиму, переключая свои контакты в силовой цепи и блок-контакты в цепи управления.
На позиции 02 тормозного вала замкнут также контакторный элемент
30, но его цепь1 получает питание только тогда, когда рукоятка главного вала поставлена в 1-ю позицию и замкнут контакторный элемент А. От источника питания через замкнутый контакторный элемент 30 и блок-контакты TKJ-T и ТКП-Т получают питание катушки электропневматических контакторов 18-1, 18-2 и электромагнитного контактора 74-1. Включившись, указанные электропневматические контакторы подготавливают цепь питания обмоток возбуждения тяговых двигателей от преобразователя В. Контактор 74-1, включившись, силовыми контактами подготавливает цепь питания обмоток независимого возбуждения преобразователя В. Блок-контакты 74-1, находящиеся в цепи провода /, создают следующий контур, по которому проходит ток: провод НПО, контакторный элемент 1(2), блок-контакты реверсоров, блок-контакт 74-1, блок-контакт 51-1, параллельно включенные катушки 17-2 и 2-2, земля. Катушки электропневматических контакторов 17-2 и 2-2, получившие питание, обеспечивают замыкание линейных контакторов в силовой цепи.
Силовая цепь полностью подготовлена к режиму рекуперативного торможения. После установки тормозной рукоятки контроллера машиниста на 1-ю позицию замыкается контакторный элемент 27. При этом образуется цепь питания обмоток независимого возбуждения преобразователя: провод 27, замкнутый блок-контакт 18-1, регулировочный резистор R1—R16, провод Н45 и далее к обмоткам возбуждения преобразователя и земле (последние два участка схемы не показаны на рис. 88).
1 Цепь питания от ГУ по проводу НПО имеет более сложную структуру: в нее входят блокировки и имеется несколько путей подвода питающего напряжения к контакторным элементам валов контроллера машиниста.
По проводу 27 получают питание также катушки контакторов ослабления возбуждения тяговых двигателей 14-1 и 14-2, однако после их включения никаких изменений в силовой схеме не происходит, так как контакторы 13-1 и 13-2 разомкнуты, а силовые контакты указанных контакторов соединены в цепи обмотки возбуждения тяговых двигателей последовательно.
В процессе перемещения тормозной рукоятки от 2-й до 15-й позиции отключаются секции регулировочного резистора R1—R16 при замыкании соответствующих контакторных элементов 34—46 тормозного вала. На 15-й позиции тормозной рукоятки контроллера машиниста регулировочный резистор независимой обмотки преобразователя полностью выводится (кроме R14— R15).
На любом другом соединении тяговых двигателей, например С или СП, цепь, управления работает аналогично рассмотренному. Порядок переключения аппаратов в режиме рекуперативного торможения определяется разверткой тормозного вала контроллера машиниста.
В схемах цепей управления тяговых двигателей, в том числе и в схемах электровоза ВЛ 10, имеются и другие контакторы, например ОД — отключа-тели двигателей, различные контакты реле (промежуточных, повышенного напряжения и др.). Подробно действие всей системы управления электровозов каждой серии описывается в специальной литературе.
СХЕМА ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как и на электровозах постоянного тока, цепи управления на электровозах переменного тока можно разделить на
123
две части: цепи управления тяговыми двигателями и вспомогательные цепи управления.
На электровозах переменного тока основным аппаратом, с помощью которого производят необходимые переключения в цепи управления, а следовательно, и в силовой цепи, также является контроллер машиниста. Цепи управления питаются постоянным током напряжением 50 В от генераторов управления или от статических выпрямителей.
На электровозах ВЛ80т, ВЛ80с, ВЛ80р с электрическим торможением контроллер имеет три вала: главный, реверсивный и тормозной.
На электровозах без электрического торможения (ВЛ60к, ВЛ80к) контроллер машиниста (рис. 90) выполнен с двумя валами: главным и реверсивным, совмещенным с валом ослабления возбуждения. Контроллер имеет две рукоятки управления — съемную реверсивную и главную.
Рис. 90. Контроллер машиниста электровоза переменного тока
124
С помощью реверсивной рукоятки машинист изменяет направление движения локомотива, включает или выключает ступени ослабления возбуждения. В соответствии с этим реверсивная рукоятка может занимать следующие положения (рис. 91): 0 — нулевое; ПВ — полное возбуждение для движения назад; ПВ — полное возбуждение для движения вперед; OBI, ОВ2, ОВЗ — ступени ослабления возбуждения для движения вперед. При этом включаются или выключаются контакторы ослабления возбуждения, шунтирующие секции резисторов в этих цепях (см. рис. 68). Как и на электровозах постоянного тока, реверсивная и главная рукоятки во избежание ошибочных действий машиниста сблокированы.
Управление силовой цепью электровоза переменного тока сводится к управлению с помощью главной рукоятки серводвигателем СМ (см. рис. 57, 58, 91) главного контроллера: его ручному ‘или автоматическому пуску, фиксации (остановке) серводвигателя на какой-либо позиции, его реверсированию, сбросу позиций и фиксации на позициях сброса. Пуск серводвигателя, его реверсирование, электрическое торможение осуществляются с помощью контакторов 208 к.206 (на рис. 91 сохранена нумерация аппаратов, присвоенная заводом-изготовителем), замыкающие и размыкающие контакты которых включены в его цепь. (Напомним, что все контакты на рис. 91 показаны в положении, соответствующем отсутствию 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: 0 — нулевая; БВ — быстрое вы-
ключение главного выключателя; АВ — автоматическое выключение; РВ — ручное выключение; ФВ — фиксация выключения; ФП — фиксация пуска; РП — ручной пуск; АП — автоматический пуск.
Машинист при подготовке электровоза к пуску включает кнопку Цепь управления и замыкает специальным ключом контакт 213 блокировочного устройства тормозов, в результате чего подается напряжение 50 В в цепь управления контроллера. Затем машинист ставит главную рукоятку на позицию 0. Если при этом вал одного из двух главных контроллеров находится не на нулевой позиции (машинист управляет двумя главными контроллерами, расположенными в каждой секции локомотива), то через ряд блокировок замыкается цепь катушки контактора 208. Тогда включается его замыкающий крнтакт и выключается размыкающий 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 позиции. Как только вал главного контроллера установится в нулевую позицию, специальная блокировка прервет цепь катушки контактора 208, контакты которого разорвут цепь питания двигателя СМ и накоротко замкнут обмотку его якоря. В результате начнется электрическое торможение двигателя СМ.
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 замыкании его цепи контактами контактора 208 он начнет вращаться в направлении, соответствующем набо-
Рис. 91. Упрощенная схема цепи управления тяговыми двигателями электровоза переменного тока
ру 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 цепи питания катушки контактора 208 и его размыкающие контакты замкнут накоротко якорь серводвигателя СМ. Для набора следующей позиции машинист должен поставить главную рукоятку снова в положение ФП, чтобы подготовить цепь якоря серводвигателя, и затем перевести рукоятку в положение РП. Переводя рукоятку с позиции на позицию, машинист следит за показаниями амперметра, чтобы не допустить перегрузки тяговых двигателей.
Машинист может осуществлять и автоматический пуск локомотива. Для этого он должен поставить главную рукоятку в положение АП. В этом случае через катушку контактора 208 будет проходить ток до тех пор, пока маши
125
нист удерживает главную рукоятку в положении АП (это положение рукоятки нефиксированное). При этом двигатель СМ будет вращаться в направлении, соответствующем набору позиций. На последней, 33-й, позиции специальные блокировки разорвут цепь катушки 208. При наборе позиций катушка контактора 206 находится под током.
Сброс позиций, так же как и пуск, может быть осуществлен 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 сбросе скорости машинист только ставит главную рукоятку контроллера в соответствующее положение, а все необходимые переключения производятся автоматически, без его участия. При разгоне электровоза с составом до необходимой скорости ток в тяговых двигателях не должен превышать значения, ограничиваемого условиями сцепления или коммутацией двигателей.
Необходимые переключения в процессе автоматического пуска или снижения скорости могут происходить 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, а значит, и зависящий от нее ток электровоза могут меняться в широких пределах. Осуществить автоматический пуск грузового электровоза в зависимости от изменения тока 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, определяются частотой вращения серводвигателя и передаточным числом механизмов передачи от серводвигателя до кулачкового вала контакторов переключения ступеней (см. рис. 58). Такой способ автоматического управления называют хронометрическим. Безусловно, и при этом способе управления ток в двигателях не должен превышать максимального допустимого.
Машинист в процессе как автоматического, так и ручного пуска должен следить за показаниями амперметра, включенного в цепь тяговых двигателей. Если ток превышает допустимый, он ставит главную рукоятку контроллера в положение ФП, т. е. приостанавливает автоматические переключения в силовой цепи, фиксируя вал главного контроллера на какой-либо промежуточной ступени регулирования.
Если кулачковый вал контакторов переключения ступеней случайно застрянет между позициями, реле времени, которое имеет выдержку 2—3 с, своими контактами разорвет цепь удерживающей катушки главного выключателя, и он отключится.
Машинисту необходимо знать, на какой позиции находится вал главного контроллера в процессе автоматического или ручного набора, а также сброса позиций. Поэтому в каждой кабине управления установлен указатель позиций (см. рис. 91). Стрелка указателя позиций связана с устройством, носящим название сельсин-приемника. Сельсин-приемник электрически соединен с сельсин-датчиком. Обмотки статоров сельсин-датчика и сельсин-приемника питаются однофазным переменным током напряжением 110 В от специального трансформатора напряжения, подключенного к вспомогательной
126
обмотке тягового трансформатора (см. рис. 80). Роторы сельсин-приемника и сельсин-датчика имеют трехфазные обмотки, электрически соединенные одна с другой. Ротор сельсин-датчика механически связан зубчатой передачей с валом серводвигателя (см. рис. 58; на рис. 91 условно показано, что ротор соединен с валом серводвигателя непосредственно) .
Обмотки статоров сельсинов (см. рис. 80) 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 точно на такой же угол, на какой повернулся сельсин-датчик. Тогда равенство э. д. с. восстанавливается.
В схеме управления силовой цепью, как видно из рис. 91, используется много контактов и катушек реле, блок-кон-тактов контакторов. Все они выполняют различные защитные и контрольные функции, например, контролируют включение двигателей вентиляторов, охлаждающих выпрямители, температуру масла в баке тягового трансформатора и т. п. Подробно их действие
описывается для электровозов каждой серии в специальных руководствах по эксплуатации.
УПРАВЛЕНИЕ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ ЦЕПЯМИ
Вспомогательными цепями электровоза управляют вручную с помощью кнопочных выключателей (рис. 92). В отличие от управления тяговыми двигателями, где строгая последовательность тех или иных операций обеспечивается конфигурацией шайб контроллера машиниста, при управлении вспомогательными цепями заранее заданная последовательность операций в большинстве цепей не предусматривается. Если это необходимо, в цепь управления аппаратом 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 тех же генераторов управления или статических выпрямителей.
Для примера рассмотрим несколько упрощенную цепь управления токоприемником восьмиосного электровоза (рис. 93).
Рис. 92. Кнопочный выключатель
127
Чтобы поднять один из токоприемников, машинист нажимает кнопку Токоприемники (или Пантографы на электровозах, выпущенных до введения нового обозначения). При этом через катушку защитного вентиля ЗВ проходит ток и его клапан открывает доступ сжатому воздуху из главных резервуаров (см. рис. 82). Сжатый воздух проходит к двум цилиндрам пневматических блокировок ПБ1, ПБ2 и поднимает их поршни (см. рис. 93). Поршни могут опуститься только в случае, если закрыты двери в высоковольтной камере, где расположено оборудование, находящееся под напряжением, опасным для обслуживающего персонала. Затем воздух поступает в цилиндр реле давления РД и под клапан токоприемника КТ. Однако токоприемник не поднимается, так как клапан еще закрыт. Для подъема токоприемника машинист должен включить еще одну кнопку, например Токоприемник передний. Тогда цепь катушки клапана КТ замкнется и он
откроет доступ сжатому воздуху в цилиндр привода соответствующего токоприемника. Однако это возможно только при замкнутых контактах реле давления РД.
Необходимость использования реле давления объясняется следующим. Если разорвется пневматическая цепь токоприемников или случайно выключится кнопка Токоприемники, токоприемник опустится. При этом образуется мощная электрическая дуга, так как работают тяговые двигатели и вспомогательные машины. Такая дуга может пережечь контактный провод и повредить 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.
Защитный вентиль ЗВ имеет и вторую катушку, соединенную с обмоткой собственных нужд 380 В. Само собой
Рис. 93. Схема цепи управления токоприемниками
128
4*
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 попытаться войти в высоковольтную камеру при неснятом напряжении. Однако защитный вентиль в этом случае по-прежнему открывает доступ сжатому воздуху в цилиндры пневматических блокировок, и их штоки не позволят открыть двери высоковольтной камеры.
На рис. 93 показаны также контакты блокировочного устройства БУ. Это устройство позволяет шунтировать контакты реле давления РД, если подъем токоприемника производится при минимальном возможном для этого давлении воздуха, содаваемом вспомогательным компрессором. В цепи управления токоприемниками включены еще блокировки разъединителей Р и некоторые другие.
Кнопочными выключателями осуществляют пуск вспомогательных машин. Это выполняют обычно после подъема токоприемников и включения главных или быстродействующих выключателей. На электровозах переменного тока сначала включают расщепители фаз. Очередность включения двигателей остальных вспомогательных машин не имеет принципиального значения. Специальный контактор подает напряжение к кнопкам двигателей вспомогательных машин только после пуска и установления необходимой частоты вращения расщепителей фаз.
На пульте управления расположены также кнопочные выключатели, позволяющие включать звуковые сигналы, радиосвязь, прожекторы, а также освещение измерительных приборов, кабины, ходовых частей, электроплитки,
электропечи для обогрева кабины, санузла и т. п.
Лампы, включенные во вспомогательные цепи сигнализации, расположены также на пульте машиниста; загораясь и погасая, они показывают, в каком состоянии находится оборудование. Для примера на рис. 94 приведена схема цепей сигнализации электровоза ВЛ80т. Эти цепи подключают к напряжению 50 В, нажав кнопку Сигнализация. Сигнальные лампы с обозначением ГВ, ППВ, В и 0, ХП установлены по две на сигнальной панели пульта. Одна из них сигнализирует о состоянии оборудования 1-й секции, другая—о состоянии аналогичного оборудования 2-й секции.
Каждая сигнальная лампа имеет на пульте буквенно-цифровое условное обозначение: С2 — красная, С5 — зеленая, С9 — белая. Свечение ламп с красным стеклом означает следующее: лампа ГВ — отключен главный выключатель; РЗ — сработала земляная защита; ВУ — сработала защита выпрямителя от коротких замыканий; МК — отключился контактор мотор-компрес-сора; ТД — отключился линейным контактором какой-либо из тяговых двигателей или сработало реле перегрузки двигателя; ППВ — произошло переключение из режима тяги в режим торможения (если она горит, то какое-либо из переключенных устройств находится в неправильном положении); В — отключились контакторы мотор-вентилятора; ТР — отключился масляный насос тягового трансформатора; ЗБ — отключился контактор К на распределительном щите, т. е. заряд аккумуляторной батареи прекратился и от нее производится питание цепей управления; ТМ — нарушена целостность тормозной магистрали.
Загорание лампы ФР с зеленым стеклом свидетельствует о пуске расще-
5—3543
129
пителей фаз обеих секций, а зеленой лампы О, ХП— о нахождении группового переключателя ступеней на нулевой или ходовой позиции. В цепях ламп с зеленым стеклом, которые постоянно светятся, имеется регулировочный резистор, с помощью которого машинист устанавливает ту или иную яркость их свечения.
УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗАМИ ПО СИСТЕМЕ МНОГИХ ЕДИНИЦ
В качестве главного направления повышения провозной способности магистралей принято увеличение массы поездов. Поскольку на участках дорог с тяжелым профилем пути или при вождении поездов большой массы мощности одного локомотива недостаточно, то 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. Такой принцип включения электрооборудования используют и на электровозах. Если цепи управления двух локомотивов соединить параллельно в определенном порядке, то управлять этими локомотивами можно из одной кабины. Это способ управления по системе многих единиц. Для параллельного соединения цепей управления двух локомотивов применяют специальные межэлектровозные соединения, состоящие из розеток и штепселей.
Машинист, включая соответствующие кнопки в одной кабине управления, поднимает токоприемники, включает мотор-вентиляторы, компрессоры, быст-
130
Сигнализация
Рис. $Ц. Пени сигнализации
1-я секция
ГВ
ГВ (г-я секция)
РЗ
ВУ
МК
та
ППВ
ППВ(г-я секция)
в
В(г-ясекция)
о,хп
О/П(Г-я секция)
ФР
РВ
ТР
36
родействующие или главные выключатели сразу на двух электровозах. При переводе главной рукоятки контроллера на ту или иную позицию одновременно осуществляют все необходимые переключения в силовых цепях обоих локомотивов (рис. 95).
На восьмиосных локомотивах межэлектровозных соединений не предусматривали, так как мощность их до недавнего времени была достаточной для вождения поездов установленной массы. Но по существу восьмиосные электровозы постоянно работают по системе многих единиц, так как они составлены из двух секций. Провода цепей управления обеих секций соединены с помощью штепсельных соединений и гибких кабелей. Однако дальнейшее увеличение нормы массы поездов привело к необходимости создать восьмиосные электровозы, способные работать по системе многих единиц. Такими являются, например, электровозы постоянного тока ВЛ 11 и переменного ВЛ80с, которые могут эксплуатироваться в составе двух, трех и четырех четырехосных секций.
Для многочисленных восьмиосных электровозов, выпущенных промышленностью без таких устройств, разработана и внедряется телемеханическая система многих единиц СМЕТ. К началу 1986 г. ею оборудовано более 1200 электровозов. При этой системе цепи управления электровозов соединяют двумя проводами и регулирование движения поезда осуществляет из головной кабины электровоза один машинист.
Для увеличения провозной способности на ряде участков железных дорог применяют соединенные поезда, имеющие локомотивы в голове и в середине поезда. В этом случае можно быстро собрать или разъединить длинносоставный поезд; кроме того, отсутствуют ограничения по длине станционных пу-
Контроллер +50В 1-го электровоза
Контроллер 2-го электровоза
Межэлектровозное
соевинеиие
Рис. 95. Схема, поясняющая принцип управления электровозами по системе многих единиц тей: поезд легко разделяется на два автономных состава и может занимать боковые пути. Однако в таком поезде с каждого локомотива управляют тормозами одной части состава, поэтому необходимо обеспечить синхронное срабатывание тормозов и регулирование силы тяги, чтобы предотвратить возникновение больших продольных усилий.
Для вождения объединенных составов разработана и проходит испытания система СМЕТ-радио, которая позволит синхронно регулировать режимы ведения поезда без проводной связи. В этой системе используются унифицированные переговорные устройства, имеющиеся на электровозах, и серийные электронные приставки. Система СМЕТ-радио позволит, по мнению специалистов, существенно увеличить провозную способность важнейших участков дорог.
ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ ’ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ
И ПЕРЕГРУЗОК
В процессе эксплуатации любой электрической установки в ней могут возникнуть короткие замыкания, недопустимые перегрузки или может резко
5*
131
снизиться напряжение. Последствиями этих режимов могут быть серьезные повреждения оборудования электровозов; чтобы предотвратить их, применяют различные защиты.
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.
Быстродействующий и главный выключатели не могут защищать силовую цепь во всех ненормальных режимах. Поэтому для контроля за действиями электротехнических устройств, работой сигнализации о нарушении нормального режима их работы, автоматическим отключением цепей или всей установки применяют специальные защиты. Основным аппаратом в них являются реле.
По принципу действия реле могут быть электромагнитными, тепловыми, электродинамическими и др. Благодаря простоте устройства, возможности применения как при постоянном, так и при переменном токе наибольшее распространение в электрических системах, в том числе и на электровозах, получили электромагнитные реле.
Принцип действия такого реле, защищающего, например, электрический двигатель М (рис. 96) от перегрузки,
Рис. 96. Схема включения электромагнитного реле
заключается в следующем. В случае возрастания тока в двигателе сверх максимального допустимого якорь реле, по катушке которого проходит ток защищаемой цепи, притягивается к сердечнику, преодолевая усилие пружины. При этом контакты а и б, замыкаясь, включают сигнальную лампу; загораясь, она сигнализирует машинисту о перегрузке тяговых двигателей. Контакты в и г вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, разрывая цепи удерживающих катушек.
Ток, при котором срабатывает реле, называют током уставки. Его 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 якорь притягивается и контакты реле, допустим, замыкаются, во втором — якорь отпадает и контакты, наоборот, размыкаются.
На электровозах ВЛ 11, ВЛ 10, ВЛ8 контакты реле перегрузки не введены в цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. При замыкании они включают сигнальную лампу, загорание которой свидетельствует о перегрузке какой-либо цепи тяговых двигателей. Если перегрузка произошла в режиме ослабленного возбуждения, то под действием реле выключаются контакторы ослабления возбуждения. Число реле перегрузки соответствует числу цепей параллельно включенных двигателей (см. рис. 48 и 68, где показаны реле перегрузки РП).
Если короткое замыкание на электровозах постоянного тока произойдет в цепи за тяговыми двигателями, соединенными последовательно, то быстродействующий выключатель может не
132
сработать, так как э. д. с. исправных двигателей, включенных в начале цепи, возрастет вследствие увеличения тока. Ток короткого замыкания будет невелик. Учитывая это, на электровозах ВЛ11, ВЛ10, ВЛ8, ВЛ23 применяют чувствительную дифференциальную защиту, выполненную на специальном реле.
Рассмотрим принцип действия этого реле. Через окно магнитопровода дифференциального реле РДф проходят кабели начала и конца защищаемого участка силовой цепи двигателей (см. рис. 48), ток которых направлен встречно (рис. 97). На одном конце магнитопровода установлена включающая катушка, питающаяся от источника электроэнергии напряжением 50 В. Под действием ее магнитного потока притягивается якорь, в результате чего замыкаются контакты, включенные в цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. При нормальном режиме магнитные потоки, возникающие вокруг кабелей ввода и вывода, взаимно уничтожаются. На рис. 97 условно сечение кабелей, проходящих через окно магнитопровода, показано окружностями; на остальных участках цепи 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 встречно по отношению к потоку включающей катушки.
133
Рис. 97. Схема дифференциальной защиты электровозов постоянного тока
Вследствие этого якорь реле под действием пружины оторвется от магнитопровода и разорвет цепь удерживающей катушки БВ.
Как было показано на рис. 29, 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 61 этого шунта меньше, чем зазор 6г между отключенными 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
Рис. 98. Схема защиты силовой цепи от замыканий на землю
двигателей не нужна, так как они соединены всегда параллельно и в их цепь включено реле перегрузки. Она используется для защиты от коротких замыканий выпрямительных установок. В этом случае катушку блока дифференциальных реле (БРД, см. рис. 68) вместе с дросселем включают между двумя точками цепи вторичных обмоток тягового трансформатора, имеющими равные потенциалы. Не останавливаясь подробно на действии защиты, отметим, что она реагирует на скорость 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. Следовательно, магнитный поток удерживающей катушки будет значительно отличаться от магнитного потока, вызванного 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, иа корпус (кузов) электровоза. Это объясняется тем, что вторичная обмотка трансформатора, выпрямители и тяговые двига
тели не соединены с землей, как на электровозе постоянного тока, где замыкание на землю вызывает срабатывание быстродействующего выключателя или дифференциальной защиты. Нарушение изоляции в одной точке силовой цепи не приведет к повреждению, но замыкание в двух точках уже создает аварийный режим. Поэтому нужно контролировать состояние изоляции силовой цепи.
Это осуществляют с помощью реле заземления РЗ — так называемой земляной защиты. Обмотка реле РЗ (рис. 98) соединена с корпусом локомотива и включена в цепь выпрямленного напряжения селенового выпрямителя СВ. Выпрямитель питается от вторичной обмотки напряжением 380 В тягового трансформатора. Чтобы можно было использовать одно и то же реле для двух групп тяговых двигателей, его подключают через два одинаковых резистора R к точкам силовой цепи, имеющим равные потенциалы. В случае короткого замыкания, допустим, в точке а образуется цепь выпрямленного тока, реле срабатывает и отключает главный выключатель.
Цепи вспомогательных машин защищают с помощью реле перегрузки, которые вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, а также плавкими предохранителями и дифференциальной защитой. Асинхронные двигатели вспомогательных машин электровозов переменного тока имеют тепловую защиту РТ от перегрузки (см. рис. 80). В тепловом реле (рис. 99) использованы биметаллические пластины, на которых установлены размыкающие блок-контакты. Металлы, из которых изготовлены пластины, имеют разные коэффициенты линейного расширения. В случае длительной перегрузки или короткого замыкания эле-
134
менты нагреваются и изгибаются. После того как прогиб пластин достигнет определенного значения, блок-контакты разорвут цепь включающей катушки и контактор отключится. Когда установится нормальная температура, элементы займут исходное положение. Реле тепловой защиты включают в каждые два провода, подводимые к двигателю.
Особенности нарушений режимов электрического торможения зависят от системы торможения — реостатного или рекуперативного, схемы соединения и системы возбуждения двигателей.
В режиме реостатного торможения при последовательном возбуждении двигателей (см. рис. 46) перегрузка может возникнуть, как и в тяговом режиме, в случае чрезмерно быстрого выключения ступеней реостата. Чтобы предотвратить такую перегрузку, обычно используют те же реле, что и в тяговом режиме.
При защите от токов короткого замыкания в режиме реостатного торможения, как и в режиме тяги, могут быть использованы дифференциальные реле и реле заземления.
Защита от коротких замыканий в режиме рекуперативного торможения на электровозах В Л 8, ВЛ 10 и ВЛ 11 осуществляется быстродействующими электромагнитными контакторами КБ, имеющими дугогасительные камеры. При их выключении меняется направление тока в обмотках возбуждения тяговых двигателей и происходит интенсивное гашение магнитного потока. Способ включения быстродействующих контакторов в схеме циклической стабилизации при возбудителе с противо-возбуждением, создаваемым обмотками ОВГ в цепи якорей тяговых двигателей, пояснен на рис. 100.
Отключающие катушки быстродействующих контакторов КБ1 и КБ2 через
135
Рис. 99. Схема тепловой защиты
Рис. 100. Схема защиты тяговых электродвигателей от токов короткого замыкания в рекуперативном режиме
ограничивающие резисторы /?0 включены параллельно катушкам индуктивных шунтов ИШ. Увеличение тока короткого замыкания в цепи тяговых двигателей вызывает резкое повышение напряжения на индуктивных шунтах. По отключающей катушке проходит ток, превышающий ток уставки контактора, в результате чего его силовые контакты размыкаются. Контакторы не размыкают цепь полностью, а вводят в нее резисторы R3, сопротивление которых выбирают таким, при котором не возникают опасные перенапряжения. После размыкания контактов контакторов КБ большая часть тока гкз тяговых двигателей проходит через их обмотки возбуждения встречно по отношению к току возбуждения /в, вызывая быстрое размагничивание двигателей.
Для защиты от короткого замыкания на электровозах переменного тока с рекуперативным торможением устанавливают быстродействующие выключатели в цепи выпрямленного тока. На электровозах ВЛ80р в цепь каждого двигателя введены индивидуальные быстродействующие выключатели.
ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И РАДИОПОМЕХ
Перенапряжения представляют большую опасность для электрического оборудования электровоза: они могут вызвать пробой изоляции. Различают перенапряжения коммутационные и атмосферные.
Коммутационные перенапряжения возникают вследствие выключения и включения электрических цепей под нагрузкой. Быстро изменяющиеся магнитные потоки, вызванные изменением токов в переключаемых цепях, наводят
136
иногда опасные напряжения в обмотках аппаратов и машин.
Атмосферные перенапряжения возникают при грозах; особенно велики они, когда происходит грозовой разряд вблизи электрифицированной дороги или при прямых ударах молнии в контактную сеть. После удара молнии в контактной сети образуются быстро перемещающиеся (со скоростью света) вдоль нее волны перенапряжения. Обычная 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.
На электровозах устанавливают ви-литовые разрядники (см. элемент Ppi на рис. 79). При повышении напряжения на его зажимах сверх установленного воздушные промежутки, называемые искровыми, пробиваются, и контактная сеть кратковременно соединяется с землей. Искровые промежутки включены последовательно с вилито-выми дисками, сопротивление которых ограничивает ток, проходящий из контактной сети в землю. Для быстрого гашения электрической дуги, возникающей в искровых промежутках, необходимо, чтобы при увеличении приложенного напряжения уменьшалось сопротивление дисков. Этому требованию отвечает вилит, обладающий нелинейным сопротивлением. Волна перенапряжения быстро спадает, сопротивление дисков растет, следовательно, ток уменьшается и электрическая дуга гаснет. Такие разрядники называют вилитовы-ми. Их искровые промежутки шунтированы высокоомными резисторами, обеспечивающими равномерное распределение напряжения между искровыми промежутками.
Разрядники электровозов постоянного и переменного тока различаются числом искровых промежутков (соответственно два и семь последовательно соединенных комплектов по четыре промежутка в каждом, т. е. всего 8 и 28 искровых промежутков). Это определяет различное конструктивное выполнение разрядников.
Разрядники защищают от перенапряжений также цепи переменного тока, питающие выпрямители электровозов.
Помехи радиосвязи на электрифицированных железных дорогах возникают вследствие недостаточно плотного контакта между токоприемником и контактным проводом, плохой коммутации электрических двигателей постоянного тока. В последнем случае происходит искрение щеток, возникает и гаснет дуга в выключателях и контакторах, что вызывает появление токов высокой частоты. Эти токи генерируют электромагнитные колебания, создавая радиопомехи, особенно в диапазоне длинных и средних волн.
По характеру воздействия на приемники различают гладкие (непрерывные) помехи и импульсные.
Снижают уровень помех, прежде всего поддерживая в исправности устройства электроснабжения и локомотивы. Другой путь снижения его — увеличение сопротивления токам высокой частоты. Для этого после токоприемника локомотива включают фильтр (см. рис. 48), состоящий из дросселя Др и конденсатора С. 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 емкостным сопротивлением, отводятся в землю.
Дроссель и конденсатор образуют контур, который настраивают, подбирая индуктивное и емкостное сопротивления таким образом, чтобы в землю отводились гармонические составляющие тех частот, при которых помехи наибольшие.
ЗАЩИТА ОТ БОКСОВАНИЯ
Электровозы постоянного тока с последовательным возбуждением тяговых двигателей, как уже отмечалось, имеют повышенную склонность к боксованию. Созданы и разрабатываются различные способы борьбы с боксованием, в первую очередь для электровозов постоянного тока.
Развившееся боксование часто не прекращается при подсыпке песка, применение которого увеличивает коэффициент сцепления. Прекратить боксование можно, уменьшив силу тяги, развиваемую тяговыми двигателями, так, чтобы она стала ниже силы трения скольжения бандажей по рельсам. Для этого необходимо перейти на низшие ступени регулирования. Но тогда снижается сила тяги двигателей всех колесных пар, а не только боксующих, т. е. прекращение боксования таким способом обычно сопровождается снижением скорости. Поэтому для прекращения боксования целесообразно предусмотреть автоматическое снижение силы тяги, а следовательно, и момента только у боксующего двигателя. На электровозах постоянного тока уменьшить момент, развиваемый двигателем, можно, введя в его цепь секцию пусковых реостатов. При параллельном соединении двигателей можно также перейти со ступеней ослабленного возбуждения на полное, что приводит к уменьшению тока, потребляемого двигателем (см. с. 65).
137
При последовательном соединении нескольких двигателей (не менее шести) силу тяги двигателя можно снизить, ослабляя его возбуждение, поскольку общая э. д. с. всех двигателей уменьшится незначительно и соответственно не намного возрастет ток, потребляемый двигателями этой цепи. Зато в результате значительного уменьшения магнитного потока боксующей колесной пары резко уменьшится сила тяги ее двигателя. Все эти мероприятия, применяемые в зависимости от схемы соединения двигателей в момент начала боксова-ния, осуществлены на электровозе ВЛ 11 в сочетании с автоматической подсыпкой песка под первые по ходу движения колеса каждой тележки и подачей светового сигнала на пульт машиниста. Сигналы к защите от боксования поступают со специального бесконтактного полупроводникового датчика — одного на каждые два последовательно соединенных двигателя. Датчик сравнивает э. д. с. этих двигателей и в случае необходимости выдает соответствующий сигнал.
Тот же принцип защиты от боксования используется на электровозах ВЛ 10. На этих электровозах последних выпусков имеются датчики того же типа, что и на ВЛ11. Реле боксования РБ включено в одну из диагоналей моста
Рис. 101. Схемы включения реле боксования (а) перехода на ослабленное или полное возбуждение (б) и схема, поясняющая действие уравнительного контактора (в)
138
VD1—VD4 (рис. 101, а). Другая диагональ подключена к точкам А и Б. При нормальной работе э. д. с. тяговых двигателей I и II равны, т. е. £)= Если началось боксование, допустим, колесной пары, на оси которой расположен двигатель I, э. д. с. Е, станет больше Е„ и ток от точки Б пойдет через диод VD3, катушку реле РБ, диод VD4 к точке А. Реле боксования сработает и своим блок-контактом замкнет цепь светового сигнала и цепь включения подачи песка.
В случае боксования колесной пары с двигателем II ток пойдет через диод VDI, обмотку реле РБ, диод VD2. Мостовая схема обеспечивает в том и другом случае прохождение тока по катушке реле в одном и том же направлении. Поэтому реле не размагничивается и не изменяется его уставка. Резисторы Р ограничивают ток, проходящий через обмотку реле.
Защита осуществляет перевод бок-сующего тягового двигателя на ослабленное возбуждение при последовательном соединении двигателей электровоза и с ослабленного возбуждения на полное при последовательно-параллельном и параллельном соединении двигателей. Кроме того, при двух последних схемах соединения даигателей включается уравнительный контактор К (рис. 101, в), что приводит к повышению жесткости характеристик. При замыкании контактора К увеличивается ток возбуждения и уменьшается ток якоря боксующего двигателя. На последовательно-параллельном соединении в цепь, где находится боксующий двигатель, дополнительно вводится часть пусковых резисторов.
Боксование также может возникнуть и вследствие перераспределения вертикальных нагрузок от колесных пар на
Направление движения
Рис. 102. Схема расположения противоразгрузочных устройств
рельсы. Перераспределение их вызывается моментом, создаваемым касательной силой тяги Ек и силой сопротивления движению состава W, приложенными на разной высоте (рис. 102). Этот момент стремится приподнять передние по ходу локомотива тележки и передние колесные пары каждой тележки, в результате чего вертикальные нагрузки на передние тележки каждой секции уменьшаются, а на задние второй тележки — увеличиваются. Это может вызвать боксование передних колесных пар.
Для того чтобы на все тележки и колесные пары действовали равные нагрузки, на электровозах ВЛ80т, ВЛ80с, ВЛ80р, ВЛ 10, ВЛ11 установлены проти-воразгрузочные (догружающие) пневматические устройства1. Как только электровоз начинает двигаться с составом, сжатый воздух подводится к передним по ходу электровоза цилиндрам каждой тележки, и поршни этих цилиндров через штоки с роликами давят на раму тележек, как бы догружая их.
1 Расположение на электровозе цилиндров противоразгрузочных устройств на рис. 102 показано условно. В действительности цилиндры установлены на тележках горизонтально и передают давление на них через рычаги.
В зависимости от силы тяги специальный регулятор (см. рис. 74) изменяет давление сжатого воздуха. Регулирование давления осуществляется воздействием реле давления РД1 и РД2, включенных в цепь тяговых двигателей (см. рис. 48). Чем больше ток, проходящий через тяговые двигатели и обмотки реле давления, тем больше сила тяги и тем под большим давлением подается сжатый воздух в противоразгрузочные цилиндры. В зависимости от направления движения открывается клапан К1 или К2 (см. рис. 74 и 102); катушки клапанов включены в цепь тяговых двигателей электровоза.
КОРОТКО О ДРУГИХ ЗАЩИТАХ
В момент перехода на рекуперативное торможение, например, двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, суммарная электродвижущая сила fi+fn должна быть близка к напряжению контактной сети Uc. Если это условие не будет выполнено, то, как уже отмечалось, через тяговые двигатели пойдет недопустимо большой ток. Чтобы этого избежать, на восьмиосных электровозах используют реле рекупе-
139
Рис. 103. Схема включения реле
рации, которые автоматически присоединяют тяговые двигатели к контактной сети, когда Et+Eti= Uc. Это электромагнитные реле, принцип их действия описан на с. 132.
Реле РР включают таким образом (рис. 103), что если суммарная э. д. с. тяговых двигателей значительно отличается от напряжения контактной сети, через его обмотку проходит ток и якорь реле притянут к сердечнику. Контакт 1, введенный в цепь тяговых двигателей, разомкнут. Машинист, перемещая тормозную рукоятку контроллера, изменяет э. д. с. тяговых двигателей. Когда разница между нею и напряжением контактной сети составит 80—100 В, якорь реле отпадет, контакт 1 замкнется. Резистор RAt ограничивает ток в цепи реле.
Напряжение в контактной сети изменяется в довольно широких пределах. Поэтому электрическое оборудование электровозов постоянного тока рассчитывают на работу при максимальном напряжении 4000 В. В процессе рекуперативного торможения на токоприемнике напряжение может превысить это значение и вызвать пробой изоляции либо круговой Огонь на коллекторах тяговых двигателей или вспомогательных машин. Чтобы предотвратить это, на электровозах устанавливают реле повышенного напряжения РПН. Включают его по схеме, показанной на рис. 103. При напряжении более 4000 В якорь реле РПН притягивается, его
• 140
контакты замыкают цепь светового сигнала на пульте машиниста и производят переключения, в результате которых уменьшается ток возбуждения генератора преобразователя.
Если электровоз работал в тяговом режиме и в контактной сети по каким-либо причинам напряжение превысило 4000 В, то реле отключает цепи ослабления возбуждения тяговых двигателей.
Наблюдаются и кратковременные понижения напряжения в контактной сети, например, при непродолжительном отключении ближайшей к электровозу тяговой подстанции. Контактная сеть в это время питается от далеко расположенных подстанций. Резкое повышение (бросок) напряжения при включении подстанции может вызвать опасные для электровоза броски тока и силы тяги. Чтобы предупредить машиниста о понижении напряжения, на электровозах устанавливают реле пониженного напряжения РНН (см. рис. ЮЗ), которые при определенном напряжении включают световой сигнал. Машинист в этом случае принимает необходимые меры, например включает в цепь тяговых двигателей пусковые реостаты или отключает их.
Кроме рассмотренных, имеются и другие устройства, защищающие оборудование электровозов при ненормальных режимах. Так, на электровозах ВЛ 10 устанавливают малогабаритный быстродействующий выключатель БВЭ-ЦНИИ, обеспечивающий совместно с дифференциальными реле защиту вспомогательных цепей. На электровозах ВЛ11, ВЛ8 и ВЛ23 с этой целью применяют дифференциальные реле и специальный контактор вспомогательных цепей (КВЦ).
На электровозах переменного тока автоматический контроль частоты вращения ротора расщепителя фаз осуществляется с помощью реле оборотов.
Такой контроль необходим, так как асинхронные тяговые двигатели могут быть повреждены, если их включать при неработающем расщепителе фаз или медленно вращающемся роторе расщепителя. Асинхронные двигатели включаются после того, как частота вращения ротора расщепителя фаз достигнет 1430 об/мин.
На этих же электровозах применяется защита главного контроллера с помощью реле времени от замедленного вращения кулачкового вала переключателя. Катушка реле времени получает питание на всех фиксированных позициях кулачкового вала переключателя ступеней главного контроллера. Во время поворота кулачкового вала от одной позиции к другой цепь питания ее прерывается специальными блок-контак-тами. Но якорь реле при этом отрывается от сердечника не сразу, а с выдержкой времени, которую создает медное кольцо, имеющееся на сердечнике: после снятия напряжения с катушки реле медное кольцо поддерживает (в течение нескольких секунд) магнитный поток катушки и якорь удерживается притянутым.
Чтобы обеспечить высокое напряжение и большую мощность силовых полупроводников преобразователей на электроподвижном составе, необходимо применять в этих преобразователях вентильные группы, содержащие последовательно и параллельно соединенные силовые полупроводниковые приборы (см. рис. 63). К вентилям предъявляют достаточно жесткие требования. Так, в преобразовательной установке должны быть полупроводниковые приборы одного класса (понятие было дано ранее); разница падений напряжения в открытых приборах не должна превышать 0,03 В. Кроме того, тиристоры в одной установке должны быть одной и той же группы по времени включения и
141
выключения. Однако даже при выполнении этих требований возможно несовпадение прямых и обратных ветвей вольт-амперных характеристик силовых полупроводниковых приборов, вследствие чего отдельные приборы будут перегружены по току или напряжению, если не принять специальных мер. Метод подбора идентичных вентилей не нашел практического применения на транспорте из-за сложности подбора их на заводах-изготовителях, а также из-за необходимости создания в локомотивных депо запаса приборов с заданными характеристиками.
При последовательном соединении полупроводниковых вентилей к вентилю, у которого обратная ветвь вольт-амперной характеристики более полога (см. рис. 59 и 60), будет приложено большее напряжение, чем к другим. Аналогично при параллельном соединении полупроводниковых приборов после их включения ветвь, в которой вентили обладают более крутыми вольт-амперными характеристиками, будет нагружена большим током. Все сказанное относится к установившимся режимам.
При включении и выключении (переходных режимах) вентили (особенно тиристоры) оказываются в еще более тяжелых условиях. В частности, при последовательном соединении к тиристору, имеющему меньшее время выключения, будет приложено все напряжение ветви, которое может вызвать его самопроизвольное включение и даже пробой.
Для выравнивания распределения напряжения по последовательно включенным приборам в установившемся режиме параллельно каждому прибору подключают резистор /?ш. В этом случае распределение обратного напряжения будет определяться в первую очередь отклонением от номинальных значений сопротивлений /?ш- Эти отклонения имеют сравнительно неболь
шие значения, допустим ±5%. Поэтому обратные напряжения на полупроводниковых приборах не будут превышать допустимого значения с учетом выбранного коэффициента запаса по напряжению (см. с. 88).
Чтобы облегчить условия работы вентилей в переходных режимах, включают параллельно каждому из них еще одну цепь, содержащую последовательно соединенные резистор R и конденсатор С (RC-цепь). В данном случае для защиты полупроводниковых приборов используется свойство конденсатора С обеспечивать невозможность скачкообразного изменения напряжения при коммутации. Задержка по напряжению создает возможность одновременного включения и выключения полупроводниковых приборов. Резистор R предназначен для ограничения тока в RC-U.&-пи в переходных режимах.
Дополнительно в параллельных ветвях преобразователей для принудительного выравнивания в них токов применяют индуктивные делители тока с магнитопроводами. При больших расхождениях в момент включения тиристоров дополнительно увеличившийся по этой причине ток может приводить к насыщению магнитной системы делителей тока. Поэтому к системе управления преобразователями предъявляют жесткие требования по допустимому разбросу углов включения а (см. с. 91).
Довольно широко, особенно в низковольтных цепях управления, для защиты от токов короткого замыкания используют плавкие предохранители. Как правило, применяют трубчатые предохранители, в которых используются наполнители, способствующие гашению дуги.
8 МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
ОСЕВЫЕ ФОРМУЛЫ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Ходовая часть электровозов разных серий различается прежде всего числом колесных пар (числом осей). Первоначально отечественные электровозостроительные заводы выпускали только шестиосные магистральные электровозы, затем шести- и восьмиосные. В настоящее время промышленность поставляет на железные дороги только мощные восьмиосные электровозы переменного и постоянного тока. Для вождения пассажирских поездов Советский Союз получает из Чехословакии шести- и восьмиосные электровозы постоянного и переменного тока. В эксплуатации находятся также четырехосные пассажирские электровозы, построенные ранее в ЧССР.
Число колесных пар электровоза определяется силой тяги, которую он должен развивать. Применение мощных двигателей, как известно, еще не гарантирует реализацию большой силы тяги. Чтобы создать необходимую силу тяги, следует обеспечить достаточное сцепление колес с рельсами. Оно определяется нагрузкой, приходящейся от колес на рельсы, но с увеличением нагрузки растет и сила, действующая на рельсы, шпалы, земляное полотно. Для того чтобы путь выдерживал большие усилия, приходится увеличивать сечение рельсов, а следовательно, и их массу, чаще располагать шпалы, что связано с большими капитальными затратами.
143
На железных дорогах СССР допускаются нагрузки от колеса локомотива на рельс до 100—122 кН (10—12,2 тс). Обычно указывают нагрузку, приходящуюся на рельсы от двух колес, т. е. нагрузку от колесной пары, или так называемую нагрузку от оси на рельсы. У отечественных электровозов разных серий она составляет от 185 до 245 кН (19—25 тс). У электровозов некоторых серий нагрузка от оси на рельсы вошла составной частью в обозначение: например, ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22М и ВЛ23. Здесь цифры 19, 22, 23 соответствуют нагрузке от оси на рельсы в тонна-силах. Эта нагрузка составляет 235 кН (24 тс) для электровозов ВЛ80 всех серий, 221 кН (22,5 тс) —для ВЛ8, 226 кН (23 тс) —для ВЛ 11 и 245 кН (25 тс) —для ВЛ10у. Применение тяжелых термически обработанных рельсов, железобетонных шпал, бесстыкового пути позволяет повысить нагрузки от осей на рельсы. Оптимальной считается нагрузка 245 кН (25 тс). Такая нагрузка, позволяя повысить расчетную силу тяги электровозов, не приводит к увеличению износа рельсов и снижению надежности механической части локомотивов. В частности, до оптимальной может быть доведена нагрузка от оси на рельс у электровоза ВЛП.
Повышать силу тяги локомотива можно также, увеличивая число колесных пар. Но и здесь существуют определенные ограничения. Рельсовая колея, если посмотреть на нее сверху, или, как говорят, «в плане», состоит из пря
молинейных отрезков, соединенных плавными кривыми. Колесные пары локомотива могут свободно перемещаться в колее, расположенной на кривом участке пути наименьшего допустимого радиуса, т. е. вписываться в кривую лишь до определенного числа их в одной тележке. Например, при некотором радиусе криволинейного участка пути четыре колесные пары не вписываются в кривую (рис. 104, а). Здесь колесные пары 2 и 3 не могут коснуться наружного рельса, а гребни их бандажей набегают на внутренний рельс.
При прохождении электровоза по кривому участку пути колеса набегают на рельс и давят на него. Реакция рельсов вызывает поворот локомотива. В процессе поворота между бандажами колес и рельсами возникают силы трения, которые вызывают дополнительное сопротивление движению поезда в кривой. Боковое давление, создаваемое колесными парами, вписывающимися в кривую, может оказаться столь большим, что произойдет излом рельсов или нарушится их скрепление со шпалами. Значение этого давления зависит от скорости электровоза, радиуса кривой, нагрузки от оси на рельсы.
Для обеспечения безопасности движения боковое давление колесных пар на рельсы необходимо по возможности более равномерно распределить между всеми колесами электровоза. Равномерность его распределения зависит от числа колесных пар в одной тележке локомотива, способа их закрепления в раме,
Рис. 104. Расположение колесных пар в кривой при жестком закреплении их в раме (а) и при поперечном разбеге (б)
радиуса кривой и дополнительного уширения рельсовой колеи. 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. 104, б). Чем больше число колесных пар в одной раме, тем труднее добиться соприкосновения их всех с наружным рельсом в кривых участках пути. При наименьшем радиусе кривых пути, принятом в СССР, в одной раме удается разместить не более четырех движущих колесных пар.
Радиус кривых сказывается и на коэффициенте сцепления, так как в кривых малого радиуса колеса одной и той же оси проходят разные расстояния. В результате этого они проскальзывают и коэффициент сцепления несколько снижается. Кроме того, сила тяги, развиваемая колесной парой, и ее давление на рельсы в кривых изменяются. Это учитывают, когда определяют расчетный коэффициент сцепления.
Увеличение сцепного веса при сохранении принятой нагрузки от оси на рельсы было достигнуто в результате использования нескольких тележек в одном локомотиве. Тележки могут быть сочленены (шарнирно связаны) или не иметь сочленения. Шестиосные электровозы ВЛ 19, ВЛ22м и ВЛ23 имеют по две сочлененные трехосные тележки (рис. 105, а); у электровоза ВЛ8 четыре сочлененные двухосные тележки.
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, применяют свободные, несочлененные тележки (рис. 105, б), например, на электровозах ВЛ60,
144
ВЛ80, ВЛ82, ВЛ 10, ВЛ 11 и всех электровозах серий ЧС. Отечественные восьмиосные электровозы имеют унифицированные несочлененные тележки.
При несочлененных тележках сила тяги передается через раму кузова. Благодаря этому сами тележки получаются более легкими и оказывают меньшее воздействие на путь, однако усложняется соединение тележек с рамой кузова.
На некоторых пассажирских электровозах в первый период электровозостроения, как и у паровозов, устанавливали дополнительно так называемые бегунковые колесные пары, не связанные с тяговыми двигателями. Их монтировали в специальных одноосных или j	двухосных бегунковых тележках. Объ-
г	яснялось это следующим. Во-первых,
J	тяговые двигатели и электрические ап-
параты были громоздкими, тяжелыми. '	В результате общий вес электровоза
;	получался настолько большим, что
передать его только на движущие оси, не превышая максимальной допустимой нагрузки, было невозможно. Этот избыточный вес и передавали на бегунковые оси. Во-вторых, основываясь на опыте эксплуатации паровозов, считали обязательным на электровозах, рассчитанных на большие скорости движения, по концам устанавливать бегунковые колеса для облегчения вписывания локомотива при входе его в кривые участки пути. Первая причина отпала сама собой, а опыт работы электровозов показал, что при движении их с большими скоростями иметь бегунковые оси необязательно.
Число движущих и бегунковых колесных пар, их взаимное расположение в тележках выражают в виде осевых формул, представляющих собой сочетание цифр и условных знаков. Первая цифра осевой формулы — число бегунковых осей с одной стороны электро-
145
Рис. 105. Схема расположения в кривых сочлененных трехосных (а) и несочлененных двухосных (б) тележек
воза. Далее ставится дефис (-) и после него цифра, которая означает 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 сочленение, или минус (—), если тележки не сочленены. Последняя цифра — число бегунковых осей с другой стороны электровоза.
Например, у отечественных шестиосных электровозов с сочлененными тележками осевая формула 0-Зо4-Зо-0, а с несочлененными — 0-Зо— Зо-0, у восьмиосного электровоза с сочлененными тележками — 0-2о+ 2о+ 20+ 2о-0, а с несочлененными — 0-2о-2о-2о-2о-0. Индекс «о» у цифр, обозначающих число движущих колесных пар, показывает, что каждая из них приводится в движение своим тяговым двигателем (индивидуальный привод). Если этот индекс отсутствует, это свидетельствует о групповом приводе колесных пар, т. е. имеется один тяговый двигатель, приводящий в движение несколько колесных пар, соединенных спарниками или зубчатыми передачами.
За рубежом в осевых формулах применяют буквенные обозначения. Бук-
ва 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: 0-Со+ Со-0, восьмиосный с несочлененными — 0-Во-Во-Во-Во-0.
Опыт эксплуатации показал, что локомотивы, имеющие несколько тележек, склонны к виляющему движению в прямых участках пути при существующей (с 1851 г.) ширине колеи 1524 мм. Виляющее движение вызывает более быстрый износ рельсов и расстройство пути. При электрической и тепловозной тяге скорость движения поездов повысилась, что способствовало увеличению виляний. Многочисленные опыты убедили, что для устранения виляний необходимо несколько уменьшить ширину колес, не изменяя предельные размеры колесных пар. Поэтому действующими Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР (ПТЭ) ширина колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках пути и в кривых радиусом 350 м и более установлена 1520 мм. Это позволяет повысить плавность и безопасность движения, уменьшить износ подвижного состава и рельсов.
РАМЫ ТЕЛЕЖЕК
Рамы тележек с помощью рессорного подвешивания опираются на колесные пары. В свою очередь на рамы устанавливают кузов электровоза, крепят к ним тяговые двигатели и тормозное оборудование. Рамы тележек локомотивов передают и распределяют нагрузки между отдельными колесными парами с помощью рессорного подвешивания, воспринимают усилия тяги,торможения, боковые усилия от колесных пар, осо
146
бенно возрастающие при движении в кривых участках пути.
Как уже было сказано, тележки могут быть сочлененными и несочлененными. Рамы сочлененных тележек имеют межтележечные сочленения, а рамы крайних тележек — автосцепные устройства (автосцепку). Если тележки несочлененные, то автосцепку устанавливают на рамах кузовов.
Сочлененные тележки соединяют так, чтобы они могли поворачиваться одна относительно другой в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Кроме того, сочленение должно позволить передавать силу тяги от одной тележки к другой.
Рассмотрим сочленение рам тележек шестиосного электровоза (рис. 106). Брус сочленения одной рамы имеет выступ с отверстием — серьгу. На другой раме тележки на брусе сочленения 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 гнездо и шар — в вертикальной. Угол поворота тележек в вертикальной плоскости ограничивается зазором между серьгой и вкладышами. При достижении предельного угла поворота вертикальное усилие, действующее на одну из тележек, передается сочленением на другую тележку. Таким же образом соединяют рамы тележек восьмиосных сочлененных электровозов, которые имеют три узла сочленения. Рамы тележек восьмиосных сочлененных электровозов отлиты как одно целое.
Рамы несочлененных тележек восьмиосных электровозов устроены проще. Они представляют собой цельносвар-
Рис. 106. Сочленение
тележек электровоза
ную замкнутую конструкцию прямоугольной формы и имеют значительно меньшую массу по сравнению с литыми тележками. Рама состоит из двух литых боковин трубчатого сечения, связанных шкворневым (центральным) брусом и двумя концевыми поперечными брусьями. Детали рам тележек восьмиосных несочлененных электровозов и другие узлы механической части унифицированы.
КУЗОВА ЭЛЕКТРОВОЗОВ И ИХ ОПОРЫ
Основная аппаратура, вспомогательные машины и кабины управления размещены в кузове электровоза. В процессе совершенствования электровозов изменялась форма их кузова. На локомотивах первых выпусков кузов был прямоугольной формы и имел две площадки по концам. В дальнейшем ему стали придавать обтекаемую форму для уменьшения сопротивления движению.
Основанием кузова служит нижняя рама, которая воспринимает вес всей аппаратуры и вспомогательных машин. У электровозов с сочлененными тележками рамы кузовов выполняют из швеллерных балок, угловой и листовой стали с помощью сварки или заклепок.
Кузова несочлененных восьмиосных электровозов состоят из двух одинаковых секций, соединенных автосцепкой, так как у них тяговые усилия передаются через раму кузова. Каждая секция кузова с одной кабиной машиниста представляет собой металлическую конструкцию. Для перехода из одной секции в другую устраивают закрытый мостик.
Продольные балки рамы кузова изготовлены из швеллеров. Балки скреплены брусьями буферными (по концам) и промежуточными. На электровозах переменного тока имеются две дополнительные балки для установки тягового трансформатора.
Стены, пол и потолок кабины машиниста имеют тепловую и звуковую изоляцию из полимерных материалов. Боковые стенки кузова представляют собой каркас, обшитый листовой сталью с продольными гофрами, повышающими жесткость стенок. Для забора воздуха в одной из стенок кузова имеются лабиринтные жалюзи.
Кузова электровозов опираются на тележки через специальные опоры. Опоры не должны препятствовать повороту одной тележки относительно другой в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Кроме того, опоры кузова
147
обеспечивают возможность поворота тележек в кривых участках пути. Допустим, что тележки находятся на прямом участке и расстояние между двумя опорами, закрепленными на раме кузова, например, шестиосного электровоза равно b (рис. 107, а), а расстояние между двумя симметричными точками г и д тележек равно е. Когда обе тележки впишутся в кривую (рис. 107, б), расстояние е уменьшится и станет равным ё'. Расстояние Ь между центрами опор не может измениться, так как опорные пяты закреплены неподвижно на раме кузова.
Пяты имеют цилиндрическую форму и одну из них устанавливают в круглое гнездо (допустим, пяту правой тележки), имеющее дисковый подпятник, а другую — в гнездо прямоугольной формы с прямоугольным подпятником. Благодаря зазору между прямоугольным гнездом и прямоугольным подпятником последний переместится влево (см.
рис. 107, 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 6.
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. 108, а). Каждая центральная опора представляет собой стойку с коническими углублениями вверху и внизу (рис. 108, 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 позволяют значительно перемещаться тележкам относительно кузова в продольном и поперечном направлениях.
Рис. 107. Взаимное расположение тележек и подпятников электровоза на прямом участке пути (а) и в кривой (б)
’148
Каждая центральная опора снабжена возвращающим устройством: оно возвращает кузов в исходное положение при поперечных его отклонениях. Состоит это устройство из пружин, помещенных в цилиндры, которые шарнирно связаны с центральной опорой и рамой кузова. Для большей устойчивости кузова пружины предварительно сжимают.
Устойчивость кузова электровоза относительно тележек в поперечном направлении дополнительно обеспечивается боковыми опорами (рис. 108, в). Боковая опора представляет собой стержень, который верхним концом действует на пружины 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 и четыре боковые опоры.
На электровозе ВЛ80 применено лю-лечное подвешивание кузова, которое позволяет снижать горизонтальные ускорения кузова, а также боковые давления колес электровоза на рельсы и передает вертикальные нагрузки от кузова на рамы тележек. Для крепления люлечного подвешивания к раме кузова (рис. 109, а) приварено четыре кронштейна. Люлечное подвешивание (рис. 109, б) состоит из стержня, который имеет в верхней части фланец, опирающийся на пружину. Пружина своим нижним витком упирается в кронштейн, приваренный к раме тележки. На нижней части стержня имеется резьба и гайка, на которую опирается через кронштейн кузов. Таким образом, кузов связан с каждой тележкой четырьмя упругими пружинами, воспринимающими нагрузки от него. Кроме того,
Вий В (повернуто)
Рис. 108. Расположение опор кузова (а), центральная опора с возвращающим устройством (б) и боковая опора (в) электровоза ВЛ60
149
Кронштейны гидравлического гасителя
Рис. 109. Схема (а) и узлы подвешивания (б — г) кузова электровоза ВЛ80
' 150
на стержне имеются прокладки (на рис. 109, б не показаны), позволяющие кузову перемещаться относительно рамы тележек в поперечном направлении и поворачиваться тележке в кривых участках пути.
В процессе движения электровоза неизбежно возникают вертикальные колебания кузова, подвешенного на пружинах (отсюда и название — люлечное подвешивание). Причиной этих колебаний могут быть неровности пути, проход колесных пар через рельсовые стыки и др. Чтобы не допустить вертикальных колебаний кузова, устанавливают гидравлические гасители (рис. 109, в). Их крепят к кронштейнам, приваренным к рамам кузова и тележки. Энергия, возникающая при колебаниях кузова, поглощается приборным маслом, перемещаемым поршнем в цилиндре гасителя. В гасителе при растяжении масло поступает из специальной камеры через открывшийся клапан под поршень. При сжатии гасителя клапан закрывается, и масло вытесняется через специальные калиброванные щели в нем. При прохождении жидкости через них возникает вязкое трение, в результате чего происходит превращение механической энергии колебательного движения экипажа в тепловую и последующее ее рассеяние в рабочей жидкости. Если кузов отклонится от центрального положения больше, чем допускается, в работу вступит упор, снабженный пружиной большой жесткости (рис. 109, г). При максимальном сжатии пружины упор жестко упрется в раму тележки и дальнейшее отклонение кузова прекратится.
Для передачи силы тяги и иных продольных усилий каждую тележку соединяют с кузовом шаровой связью. Шаровая связь расположена на шкворневом брусе, закрепленном на раме кузова.
В средней части шкворневого бруса тележки (см. рис. 109, а) имеется овальное с коническим переходом по высоте углубление, через которое проходит шкворень. Снизу к шкворневому брусу приварен брус шаровой связи. Эта связь позволяет перемещаться шкворню в поперечном направлении, передавать продольные усилия от тележки кузову и не воспринимать вертикальных нагрузок.
РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ
На каждую колесную пару при неподвижном электровозе действует так называемая статическая нагрузка. Эту нагрузку создают вес кузова, тележки, тяговые двигатели (или часть их веса), оборудование, расположенное в кузове, и т. д. Нагрузка на колесные пары передается через рессоры. Все устройства, создающие и передающие эту нагрузку, объединяют 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. Уменьшает воздействие этих сил и смягчает удары рессорное подвешивание — совокупность листовых и цилиндрических рес
сор со связующими промежуточными деталями.
После прекращения действия динамических сил надрессорное строение продолжает совершать колебания на рессорах. Чтобы быстрее погасить колебания, на локомотивах устанавливают листовые рессоры: между отдельными их листами возникает трение, способствующее затуханию колебаний. Рессоры набирают из 10—14 листов. Верхние, наиболее длинные листы называют коренными. При изготовлении листы несколько изгибают вверх, под нагрузкой они распрямляются.
Важнейшей характеристикой рессоры является ее гибкость. Под гибкостью рессоры обычно понимают ее прогиб в миллиметрах под действием силы в 10 кН. Чтобы увеличить гибкость рессорного подвешивания, листовые рессоры соединяют последовательно с цилиндрическими, изготовленными в виде спирали. Цилиндрические рессоры — пружины — хорошо сглаживают слабые толчки, на которые сравнительно жесткие листовые рессоры не реагируют. Листовые рессоры могут быть размещены над буксами и под ними (рис. 110).
Рессоры электровозов некоторых серий соединяют продольными (см. рис. НО), а иногда и поперечными балансирами. Балансиры помогают поддерживать постоянным заранее заданное распределение нагрузок между
Рис. НО. Рессорное подвешивание электровоза ВЛ60
151
Рис. 111. Рессорное подвешивание тележки восьмиосного электровоза
вероятность боксования отдельных колесных пар.
Необходимое распределение нагрузки осуществляют, регулируя сжатие пружинных рессор и пружин люлечного подвешивания.
КОЛЕСНЫЕ ПАРЫ, БУКСЫ и подшипники
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. Применение балансиров позволяет избежать разгрузки отдельных колесных пар, но такая система рессорного подвешивания довольно сложна и требует тщательного ухода.
Особенности рессорного подвешивания восьмиосных электровозов определяются главным образом тем, что они имеют двухосные тележки. Рессорное подвешивание восьмиосных электровозов, за исключением ВЛ8, несбалансированное (рис. 111), т. е. каждая ось имеет самостоятельное подвешивание, и оно двухступенчатое, так как вес кузова на рамы тележек передается через вторую ступень — пружинные боковые рессоры или люлечное подвешивание. Для гашения вертикальных колебаний кузова относительно тележки электровоза применяют гидравлические амортизаторы. Гашение вертикальных колебаний в первой ступени происходит в листовых и цилиндрических рессорах.
Очень важно проверить и установить правильную развеску электровоза, т. е. обеспечить одинаковую для всех колесных пар нагрузку от оси на рельсы. При правильной развеске снижается
152
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 электровозов изготавливают в виде дисков с прорезями (рис. 112). 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, который препятствует сходу локомотива с рельсов. Коническая форма бандажей обеспечивает их равномерный износ по ширине и спокойное прохождение электровоза в кривых. В кривых длина наружного рельса больше, чем внутреннего, и колеса, посаженные на одну ось, должны пройти разные расстояния. Оба колеса вращаются с одной и той же частотой. Если их диаметры равны, то колесо, катящееся по наружному рельсу, вынуждено проскальзывать, что вызывает быстрый износ бандажа. Однако во время движения в кривой локомотив вместе с колесными парами под действием центробежной силы смещается в сторону внешнего рельса. При этом внешнее колесо катится по большему кругу катания, а внутреннее — по меньшему. В результате 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 снимают с колесных центров и заменяют новыми.
Зубчатые колеса напрессовывают в горячем или холодном состоянии на удлиненные ступицы колесных центров или непосредственно на ось.
Буксы и подшипники передают на шейки осей колесной пары часть веса тележки и кузова электровоза. На электровозах серий ВЛ19, ВЛ22 и большей части ВЛ22М в буксах установлены подшипники скольжения. В таких подшипниках теряется много энергии на преодоление трения; в случае их применения значительно увеличивается сопротивление движению в момент трогания поезда с места, особенно в зимнее время, когда смазка густеет. 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. На изготовление таких подшипников расходуется большое количество дефицитных цветных металлов.
Первые вагоны на подшипниках качения появились в Швеции в 1922 г. Для их эксплуатационной проверки был сформирован специальный состав из 50 вагонов-рудовозов. После всесторонних испытаний установили, что сопротивление вагонов при трогании резко падает, а во время следования снижается на 38% по сравнению с сопротивлением при подшипниках скольжения.
С 1957 г. на электровозах устанавливают только буксы с подшипниками
Рис. 112. Колесная пара
качения (см. рис. 112). Между внутренним кольцом подшипника, насаженным на шейку оси, и внешним, которое находится в корпусе буксы, расположены ролики. Ролики удерживаются на одинаковом расстоянии друг от друга специальным устройством — сепаратором.
Возможность вертикальных колебаний рамы тележки относительно колесных пар, сохранение параллельности их осей, передача горизонтальных сил обеспечиваются буксовыми направляющими (челюстями), расположенными симметрично с двух сторон от корпуса буксы. Однако из-за трения букс о челюсти соприкасающиеся поверхности быстро изнашиваются.
Рис. 113. Поводковая букса
153
На современных восьмиосных электровозах ВЛ80 всех индексов, ВЛ 10, ВЛ 11 применяют бесчелюстные (поводковые) буксы. Здесь букса (рис. ИЗ) соединена с кронштейнами рамы двумя поводками. В соединениях поводков с корпусом буксы и кронштейнами использованы резинометаллические втулки и шайбы. Этим обеспечивается возможность относительных перемещений без трения и износа деталей поводков благодаря деформации резины втулок и шайб.
ТЯГОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ И ПОДВЕШИВАНИЕ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Создать устройство (конструкцию), надежно и просто передающее вращающий момент 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 теперь называют, опорноосевой. Принцип такой передачи использован и на отечественных электровозах.
При опорно-осевом подвешивании (рис. 114, а) двигатель опирается на ось колесной пары моторно-осевыми подшипниками, основание которых отлито как одно целое с остовом. Подшипники снаружи закрывают шапками (см. рис. 20). С противоположной стороны остова двигателя имеются выступы (носики), которыми двигатель опирается на подвижные балочки, размещаемые между выступами поперечных креплений рам тележки (рис. 114, б). Между балочками находятся предварительно сжатые пружины. Это устройство называется траверсой. Если остов двигателя опускается, то его выступ перемещает верхнюю балочку траверсы 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.
Несколько по-иному осуществлено опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей на восьмиосных электровозах некоторых новых серий (рис. 115).
Рис. 114. Траверсное опорно-осевое подвешивание тягового двигателя
154
Здесь пружинная подвеска (см. рис. 114, б) заменена тягой, закрепленной шарнирно на брусе рамы тележки. На тяге имеются два резиновых блока с двумя металлическими шайбами.
Между резиновыми блоками находится горизонтальная плоскость кронштейна, который наклонной плоскостью крепится к остову тягового двигателя. Резиновые блоки, как и пружинная подвеска, смягчают удары, приходящиеся на тяговый двигатель вследствие неровности пути при трогании с места, и компенсируют изменение взаимного положения двигателя и рамы тележки в процессе движения электровоза.
Опорно-осевое подвешивание обеспечивает неизменность расстояния между центрами вала двигателя и оси колесной пары. Это расстояние называют центральюЦ (см. рис. 114, а). При передаче вращения от вала двигателя к колесной паре с помощью зубчатого редуктора благодаря неизменности централи создаются условия, обеспечивающие правильное зацепление зубчатых колес. Передача работает плавно, что обеспечивает долговечность зубчатых колес.
Применение зубчатой передачи позволяет использовать тяговые двигатели с высокой частотой вращения якоря. Редуктор состоит из малого зубчатого колеса (шестерни), укрепленного на валу тягового двигателя, и большого зубчатого колеса, насаженного на ось колесной пары. Соотношение количества зубьев большого и малого колес называют передаточным числом. На пассажирских электровозах, имеющих высокую скорость движения, устанавливают редукторы с меньшим передаточным числом. На грузовых электровозах, которые должны развивать значительную силу тяги, применяют редукторы с большим передаточным числом.
155
Вру с рамы-^ тележки
Рис. 115. Маятниковое опорно-осевое подвешивание тягового двигателя
При опорно-осевом подвешивании перемещение надрессорного строения относительно колесных пар неопасно, так как шестерня может перекатываться вверх или вниз по большому зубчатому колесу, не нарушая зацепления.
На электровозах чаще применяют не одностороннюю, а двухстороннюю 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 зубчатая передача может нагружаться больше, а другая меньше, что вызовет ее усиленный износ. Чтобы этого не произошло, на электровозах ВЛ 19, ВЛ22, В Л 22м и первых электровозах ВЛ8 применяли упругую зубчатую передачу: зубчатый венец большого колеса соединяли с его центром пакетами пружин (рис. 116). В результате венец мог упруго смещаться относительно центра, а значит, смягчались удары, воспринимаемые передачей.
Упругая зубчатая передача довольно сложна, ее трудно ремонтировать. Поэтому на электровозах ВЛ23, ВЛ60 и восьмиосных используют косозубое зацепление. В таком зацеплении у зубчатых колес, расположенных с противоположных сторон тягового двигателя, зубья наклонены в разные стороны. Рабочая поверхность зубьев в косозубой передаче больше, чем в прямо-
Рис. 116. Упругая зубчатая передача
Рис. 117. Устройство для смазывания моторноосевых подшипников с постоянным уровнем смазки
Цилиндра-, ческая рессора Карданный вал
Шарнирная муерта
Тяговый двигатель^^^
Рама тележки
Зубчатый редуктор
Рис. 118. Рамное подвешивание тяговогр дви-
гателя
зубой, а зацепление — более плавное. С увеличением нагрузки на одну пару зубчатых колес появляется усилие, действующее вдоль оси якоря. Якорь несколько перемещается, и нагрузка на оба редуктора выравнивается.
Редукторы электровозов закрывают кожухами, прикрепленными к остову тяговых двигателей. Их заливают смазкой, в результате чего увеличивается срок службы зубчатых колес и уменьшаются потери энергии в них. Кожух предотвращает попадание в зубчатые колеса песка и пыли, способствующих усилению их износа.
Смазывают также и моторно-осевые подшипники. Смазка поступает под давлением из резервуара через шланг с наконечником (рис. 117). Его вставляют в конусное отверстие смазочного устройства, обеспечивающего постоянный уровень масла в нижней камере. Ось колесной пары, вращаясь, захватывает смазку через окно вкладыша из промасленной шерстяной набивки.
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 ею стыков и других неровностей пути, при входе электровозов в кривую. Это расстраивает путь и вызывает сильную вибрацию двигателя, особенно при скоростях движения более 100 км/ч.
Созданы передачи, позволяющие полностью передавать вес двигателя на надрессорное строение. Такое подвешивание двигателя называют рамным.
Поскольку тяговый двигатель полностью подрессорен, а колесная пара неподрессорена, он не может быть непосредственно связан с ней зубчатой передачей. В этом случае связь тягового двигателя с колесной парой осуще-
156
ствляется с помощью полого вала двигателя, карданной (торсионной) передачи или шарнирных муфт.
На электровозах, эксплуатируемых в Советском Союзе, передача с полым валом тяговых двигателей и карданным валом применена на электровозах серий ЧС, используемых в пассажирском движении. Тяговый двигатель в этом случае крепят к балкам рамы тележки (рис. 118), а внутри полого вала якоря проходит карданный вал. Имеется, как и при опорно-осевом подвешивании, зубчатый редуктор, но односторонний. Большое колесо редуктора укреплено на оси колесной пары, а малое связано с валом двигателя шарнирно. Вал двигателя вращается в подшипниках, установленных в кожухе, закрывающем также и большое зубчатое колесо. Кожух упруго подвешивается к раме тележки. Карданный вал с одной стороны шарнирной муфтой связан с полым валом двигателя, с другой — также шарнирной муфтой с валом шестерни. Внутренний диаметр полого вала должен быть таким, чтобы при наибольших прогибах рессор карданный вал не касался внутренней поверхности полого вала.
Шарнирные муфты являются наиболее сложным узлом передачи, они должны позволять карданному валу перемещаться в вертикальном и аксиальном (вдоль продольной оси) направлениях. Применяются шарнирные муфты различной конструкции.
Для улучшения противобоксовоч-ных свойств можно применить мономо-торный привод, т. е. групповой привод, при котором оси двух- или трехосной тележки приводятся во вращение одним двигателем при двухступенчатом редукторе. Однако в этом случае усложняется редуктор, значительно увеличивается его неподрессоренная масса, усложняется уход в эксплуатации и ремонт. Поэтому на электровозах такой привод не применяется.
ТОКООТВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО
На электровозах и моторвагонном подвижном составе с рамным подвешиванием, если не предусмотреть специальных устройств, ток силовой цепи будет замыкаться на рельсы через раму тележки, буксы, оси и колеса. Это может вызвать электрокоррозию разных аппаратов и главным образом буксовых подшипников. На э. п. с. с опорноосевой подвеской тяговых двигателей силовой ток замыкается через большие поверхности моторно-осевых подшипников и колеса, имеющие малое омическое сопротивление. Однако повышение мощности тяговых двигателей привело к увеличению тока, приходящегося на единицу поверхности моторно-осевых подшипников. При этом усилился износ подшипников вследствие электрокоррозии. Такую же опасность ток создает и для роликовых подшипников колесных пар.
Поэтому на э. п. с. с рамным подвешиванием и электровозах с опорноосевым подвешиванием последних выпусков устанавливают токоотводящие устройства.
Токоотводящие устройства предназначены для электрического соединения силовой цепи с рельсами в обход моторно-осевых подшипников тяговых двигателей и роликовых подшипников осей колесных пар. Каждое токоотводящее устройство устанавливают на буксе с торца оси колесной пары (рис. 119). Корпус его крепят к крышке буксы и изолируют от нее изоляционной шайбой. Ток из силовой цепи подводится к корпусу и затем к трем щеткодержателям, имеющим цилиндрические щетки. Щетки прижимаются к контактному диску с цилиндрическими пружинами. Контактный диск крепится к оси колесной пары. Для лучшего электрического контакта между контактным диском и
157
Корпус то-^-^Оз силовой цепи колодводящегд устройства
Медноя прокладка
Крышка Sy кем
Изоляционная шайва
Ось колесной пары
Палец щеткодержателя Контактный диск
Рис. 119. Схема токоотводящего устройства
торцом оси поставлена прокладка из мягкой меди. Щетки закрыты снаружи кожухом.
На рис. 119 токоотводящее устройство показано несколько упрощенно. Так, не изображено лабиринтное кольцо, предохраняющее поверхность контактного диска от попадания смазки из подшипника, не показаны изоляция креплений и сами крепления корпуса к крышке буксы.
Токоотводящие устройства устанавливают на осях колесных пар в шахматном порядке, т. е. если на первой по ходу электровоза оси оно установлено с левой стороны, то на следующей — с правой, затем снова с левой стороны и т. д.
Равномерное распределение тока между отдельными токоотводящими устройствами достигается применением проводов, обеспечивающих равные сопротивления в их цепях.
РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
Разместить все необходимое оборудование на электровозе в сравнительно небольшом объеме, ограниченном габаритом подвижного состава, довольно сложно. Кроме того, оборудование должно быть расположено так, чтобы бригада, обслуживающая электровоз,
158
имела сравнительно легкий доступ к наиболее важным машинам, аппаратам и механизмам и прежде всего чтобы были обеспечены безопасность и удобство обслуживания. Вес оборудования должен равномерно распределяться между колесами локомотива.
При компоновке машин и аппаратов должен быть обеспечен минимальный расход проводов, кабелей, воздуховодов, трубопроводов и опорных конструкций для установки оборудования. Одно из требований — обеспечение необходимых изоляционных расстояний: воздушных промежутков от токоведущих частей оборудования и дугогасительных камер аппаратов до заземленных предметов, а также расстояний между дугогасительными камерами отдельных аппаратов.
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 для хорошей видимости сигналов, пути и контактной подвески, снижения шума. Кроме того, учитывают удобство монтажа и демонтажа оборудования во время постройки и ремонта локомотива. Для этого оборудование объединяют в блоки: высоковольтного оборудования (высоковольтная камера), тягового трансформатора, низковольтных силовых аппаратов и т. д. Монтаж и демонтаж оборудования осуществляют через специальные люки на крыше электровоза.
Расположение оборудования в высоковольтной камере во многом зависит от схемы силовых цепей электровоза. В камере устанавливают всю высоковольтную коммутационную и защитную аппаратуру, располагают открытые токоведущие части. Высоковольтную ка
меру монтируют вне электровоза, а затем устанавливают в кузов краном.
На электровозах переменного тока между машинными помещениями и высоковольтными камерами (обычно в средней части кузова) расположено трансформаторное помещение, в котором часть тягового трансформатора находится ниже пола кузова. Там же находятся разъединители выпрямительных установок, реле перегрузки и некоторые другие аппараты.
В машинных помещениях электровоза расположено следующее оборудование: вспомогательные машины, оборудование радиостанции, локомотивной сигнализации, основное пневматическое оборудование. Вспомогательные машины размещают так, чтобы можно было проверить состояние коллекторов и щеток как при пуске, так и во время работы, проверить работу компрессоров, вентиляторов и их подшипников.
Предусмотрен специальный люк для выхода локомотивной бригады на крышу электровоза. На крышах элек
тровозов монтируют токоприемники, крышевые разъединители, дроссели для подавления помех радиоприему, разрядники, тифоны, свистки, шины, соединяющие оборудование, размещенное на крыше, главные воздушные резервуары, антенны радиостанции, а на электровозах переменного тока еще главные выключатели с разъединителями и проходные изоляторы (рис. 120).
Путь и контактную сеть в темное время суток освещают лобовыми прожекторами, установленными на крыше с обоих концов кузова. Внутри прожекторов укреплены отражатели света и лампы. Лампы могут гореть либо полным, либо тусклым светом, для этого последовательно с ними включают резистор или отключают его. Рядом с лобовыми прожекторами находятся звуковые сигналы: тифон и свисток.
Кроме прожекторов, на лобовых стенках электровозов устанавливают по два сигнальных буферных фонаря. В зависимости от условий движения эти фонари могут иметь прозрачные или цветные красные стекла. На электро-
Рис. 120. Расположение оборудования на шестиосном электровозе переменного тока
159
Рис. 121. Кабина машиниста электровоза постоянного тока
Электрическая плитка
Кнопочный Выключатель
Электрические печи
Панель с приборами
-Скоростемер
Сибенье машиниста
Кнопочные Выключатели
Панель с приборами и сигнальными лампами
Контроллер машиниста
Кран Вспомогательного тормоза
Кран машиниста
oJQ S>
Рис. 122. Кабина машиниста электровоза переменного тока
160
5*
возах некоторых серий каждый буферный фонарь имеет два светильника: один с прозрачным стеклом, другой — с красным. Тот или иной светильник машинист включает, нажимая на кнопки пульта управления.
На буферных брусьях тележек или рамах кузова в зависимости от способа передачи силы тяги устанавливают автосцепки.
При расположении аппаратуры в кабине машиста основное внимание уделяют компоновке, обеспечивающей для локомотивной бригады максимальное удобство при пользовании аппаратами управления. Размещение оборудования должно обеспечить соблюдение правил техники безопасности и свободное перемещение машиниста и его помощника в кабине. Кресло машиниста должно допускать регулировку по высоте и в горизонтальной плоскости. Это позволит машинисту управлять поездом как сидя, так и стоя.
Все эксплуатируемые на отечественных дорогах магистральные электровозы имеют две кабины машиниста (посты управления), расположенные по концам кузова. В кабине управления (рис. 121 и 122) в непосредственной близости от сиденья машиниста с левой стороны 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.
Кроме поездного автоматического1 тормоза, на электровозах имеется вспо
1 Автоматическим тормоз называют потому, что при разрыве или разъединении тормозной магистрали со сжатым воздухом тормоз срабатывает автоматически, без вмешательства машиниста.
6—3543	161
могательный2 тормоз. Для управления вспомогательным 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 эти цилиндры с атмосферой.
Вспомогательный кран соединяет главные резервуары с тормозными цилиндрами электровоза в обход воздухораспределителя.
Перед сиденьем машиниста установлена панель с измерительными приборами, показывающими значения напряжения в контактной сети, тока якоря тягового двигателя, давления воздуха в главных резервуарах, тормозной магистрали и других устройствах. На этой же панели 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, 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
2 Вспомогательный тормоз применяется как дополнительный к основному автоматическому. Действие его распространяется лишь на оси локомотива. Им пользуются главным образом при движении электровоза без состава или в случае следования его с составом для подтормаживания локомотива при переходе на спуск.
связан с шейкой оси передней колесной пары.
По скоростемеру локомотивная бригада определяет скорость движения, время, а также отсчитывает количество километров, пройденных электровозом.
Самопишущее устройство скоростемера отмечает на бумажной ленте пробег электровоза, направление и скорость его движения, продолжительность стоянок, длительность пользования автоматическими тормозами, давление в тормозной магистрали.
В левой стороне кабины находится сиденье помощника машиниста. Около него размещены кнопочный выключатель (кнопки его предназначены для включения прожектора, буферных фонарей, электропечей, освещения кабины, ходовых частей), штурвал ручного тормоза, панель с кнопками для подачи сигналов и панель с измерительными приборами.
В кабине машиниста имеются также радиосвязь и автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС), повторяющая сигналы дорожных светофоров. Обычно оборудование в обеих кабинах электровоза расположено совершенно одинаково.
В кузовах электровозов предусмотрены проходы; в зависимости от конструкции локомотива они могут идти вдоль двух продольных сторон кузова, вдоль одной стороны (при этом устраивают вспомогательные переходы), по центру кузова. В каждой секции восьмиосных электровозов монтируют примерно одинаковый набор электрического и пневматического оборудования.
Вход в кабины машиниста в современных отечественных электровозах большинства серий осуществляется через кузов и поперечный проход, расположенный непосредственно за кабиной машиниста.
9 ОПЫТНЫЕ ЭЛЕКТРОВОЗЫ — ПРОТОТИПЫ локомотивов БУДУЩЕГО
|	ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
I	НАПРЯЖЕНИЯ
{	С увеличением размеров перевозок
{	и мощности электровозов значительно
}	возрастают тяговые токи, а следова-
’]	тельно, потери напряжения и электро-
i	энергии в контактной сети. В связи
I	с этим на наиболее грузонапряженных
|	участках железных дорог, электрифици-
!	рованных на постоянном токе напря-
|	жением 3000 В, возникают ограничения
в движении поездов. Чтобы избежать этого, приходится увеличивать площадь сечения контактной подвески, число подстанций, что связано с большими денежными затратами, а главное — с увеличением потребления дефицитных материалов, например меди.
Если бы можно было повысить напряжение в контактной сети, допустим, в 2 раза, то при том же местоположении | подстанций и той же площади сечения контактной подвески потери напряжения и электроэнергии в ней уменьшились бы в 4 раза. Что же мешает повысить это напряжение? Прежде всего это непосредственная электрическая связь контактной сети с тяговыми двигателями, энергетические и габаритные параметры которых ухудшаются при повышении напряжения. Устранить эту связь, а значит, повысить напряжение в контактной сети постоянного тока позволяют системы импульсного регулирования. Применение таких систем открывает принципиальную возможность выбора рационального значения
напряжения в контактной сети и напряжения тяговых двигателей вне зависимости друг от друга.
В случае применения систем импульсного регулирования получается существенная экономия электроэнергии, особенно для электроподвижного состава, работающего с частыми остановками. Экономия достигается вследствие устранения реостатного пуска и применения рекуперативного торможения до низких скоростей, улучшения использования сцепного веса в результате устранения колебаний сил тяги и' торможения, свойственных ступенчатому регулированию.
Импульсное регулирование напряжения позволяет коренным образом изменить схему силовых цепей электровоза, а также цепей управления. Возможность регулировать напряжение, подводимое к тяговым двигателям электровозов постоянного тока, делает ненужными перегруппировками двигателей. Кроме того, непрерывная трансформация напряжения, осуществляемая в преобразователе, позволяет на выходе его стабилизировать ток и напряжение, подводимое к тяговым двигателям, независимо от напряжения в контактной сети. Тем самым облегчается автоматизация процессов пуска и электрического торможения, а также осуществление автоведения поездов, в результате чего улучшается использование тяговых и тормозных средств электроподвижного состава.
6*
163
Рис. 123. Принципиальная схема импульсного \ правления тяговым двигателем
Широкие возможности для разработки импульсных преобразователей открылись благодаря развитию полупроводниковой техники. Впервые импульсное регулирование напряжения начали применять на аккумуляторном э. п. с. При этом существенно уменьшился удельный расход энергии и увеличилось время работы движущей единицы без заряда батареи, а значит, и расстояние, проходимое э. п. с. от заряда до заряда батареи.
Рис. 124. Диаграммы мгновенных значений напряжения и тока при импульсном (а), широтноимпульсном (б) и частотно-импульсном (в) регулировании
164
В последние годы все большее применение за рубежом и в СССР получают системы импульсного регулирования напряжения тяговых двигателей постоянного тока в режимах тяги и электрического торможения. Такие системы разработаны для магистральных электровозов, электропоездов, метрополитена и электрического городского транспорта.
Для преобразования постоянного напряжения одного значения в напряжение другого значения применяют специальные импульсные преобразователи, выполненные на базе тиристоров. Эти преобразователи периодически подключают тяговые двигатели к контактной сети на короткие промежутки времени. Таким образом, электрическая энергия к двигателям поступает в виде кратковременных импульсов.
Поясним, как работает импульсный преобразователь. Специальное устройство, работающее как ключ1 (на рис. 123 ключ К условно изображен в виде разъединителя), периодически присоединяет тяговый двигатель к контактному проводу и затем отключает его. Последовательно с тяговым двигателем включен дроссель L для сглаживания пульсаций тока, а параллельно двигателю — диод VD0, называемый обратным. Замыкание и размыкание ключа /( происходят с периодом повторения Т. В течение промежутка времени Kt ключ замкнут, в остальную часть времени Т — Kt он разомкнут (рис. 124, а). Среднее значение напряжения на тяговом двигателе (7Д зависит от соотношения величин Т и Kt.
Действительно, если Kt= Т (ключ все время замкнут), то к двигателю под
1 Ключ — устройство, имеющее два устойчивых состояния: замкнутое, при котором его электрическое сопротивление равно нулю, и разомкнутое, когда оно равно бесконечности, т. е. создается обрыв цепи.
водится полное напряжение контактной сети (/с; в случае когда At— 0, двигатель отключен от контактной сети. При каком-либо промежуточном значении напряжение
с,.=
Следовательно, изменяя значение At или Т (или то и другое одновременно), можно регулировать среднее значение напряжения, подводимого к двигателю. Если, сохраняя неизменным период Т, изменять интервал At, в течение которого к двигателю подводится напряжение контактной сети Uc, то получим так называемое широтно-импульсное регулирование (рис. 124, б). Оставляя постоянным интервал At и изменяя период следования импульсов Т, получают частотно-импульсное регулирование (рис. 124, в).
Когда ключ К (см. рис. 123) замкнут, электрическая энергия из контактной сети потребляется тяговым двигателем и одновременно запасается в дросселе L. Ток двигателя /д в этот период увеличивается. После размыкания ключа ток поддерживается энергией, запасенной в дросселе. При этом электрическая цепь, состоящая из дросселя и двигателя, замыкается через неуправляемый вентиль VD0. Так как в этот период в цепь не поступает энергия от внешнего источника, ток /д убывает. Как видим, ток двигателя то возрастает, то убывает, т. е. пульсирует. Определив соответствующим расчетом необходимые частоту импульсов и индуктивность дросселя L, получают приемлемую для работы двигателя форму тока /д (см. рис. 124).
Тбилисский электровозостроительный завод им. В. И. Ленина построил опытные электровозы постоянного тока на два напряжения — 3 и б кВ с частотно-импульсным тиристорным управлением. На них применен статический
Рис. 125. Принципиальная схема преобразователя постоянного тока
импульсный преобразователь напряжения постоянного тока, выполненный по схеме рис. 125, разработанный в Московском энергетическом институте (МЭИ) под руководством д-ра техн, наук, профессора В. Е. Розенфельда. В этой схеме тиристор VS играет роль ключа.
С помощью специальной системы управления на управляющий электрод тиристора IAS периодически подаются открывающие импульсы. Емкость конденсатора Ск и индуктивность дросселя Lo подобраны так, что при открытии тиристора ток через него возрастает до максимального значения, а затем снижается до нуля в тот момент, когда конденсатор Ск полностью заряжен и на его обкладках напряжение равно напряжению контактной сети Uc. Вследствие этого тиристор закрывается и остается закрытым до тех пор, пока вновь не будет подан импульс управления, открывающий его.
Электрическая энергия из контактной сети расходуется на питание тягового двигателя М и заряд конденсатора Ск, а также запасается в дросселе L. После того как тиристор будет закрыт, конденсатор Ск разрядится через цепь тягового двигателя. По окончании его разряда ток в двигателе поддерживается энергией, запасенной в дросселе L. Цепь этого тока замыкается через вентиль VD0. Разделяющий вентиль VDP
165
не позволяет заряжаться конденсатору Ск от дросселя L при закрытом тиристоре KS, поскольку ток двигателя может снизиться до нуля. В схеме имеется входной фильтр, состоящий из конденсатора Сф и дросселя Он предназначен для подавления пульсаций тока в контактной сети и тем самым снижения в линиях связи помех, вызываемых пульсирующим током тягового двигателя.
Регулирование скорости электровоза сводится к изменению частоты открытия вентилей преобразователя. Система управления преобразователем связана с контроллером машиниста. Машинист, перемещая рукоятку контроллера, обеспечивает изменение частоты открывающих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров. Электровозы с такой системой регулирования были испытаны на специально оборудованном участке Гори — Цхинвали Закавказской дороги; протяженность участка 40 км.
Естественное закрытие тиристоров без использования вспомогательных цепей является преимуществом частотно-импульсного регулирования по сравнению с широтно-импульсным. Однако испытания опытных электровозов показали, что одним из главных недостатков при частотно-импульсном регулировании на э. п. с. является широкий диапазон изменения частоты и, в частности, пониженная частота в начальных стадиях пуска и рекуперации. Вследствие этого входной фильтр имеет большую массу и габариты. Устранить этот недостаток можно, применив специальную систему управления с многократным увеличением частоты на фильтре. Пользуясь уже введенным понятием мягкости характеристик, можно добавить, что ими обладает преобразователь с частотно-импульсным регулированием. Вместе с тем сочетание мягких характеристик
166
преобразователя с мягкими характеристиками двигателей последовательного возбуждения ухудшает свойства э. п. с. по сравнению с широтно-импульсным регулированием, обладающим жесткими характеристиками.
Схемы с широтно-импульсным регулированием напряжения разнообразны и различаются в основном цепью, которую называют коммутирующим контуром. При помощи этого контура происходит принудительное выключение тиристора (его искусственная коммутация), осуществляющего, как и при частотно-импульсном регулировании, подсоединение на короткое время тяговых двигателей к контактной сети.
В СССР разработана и находится в эксплуатации система с широтноимпульсным регулированием напряжения для электропоездов (ЭР2И), система импульсного регулирования пусковых реостатов на электропоезде ЭР200. Однако создание преобразователей с импульсным регулированием, приемлемых по массе, габаритным размерам, стоимости и надежности, для мощных магистральных электровозов постоянного тока — задача, которую еще предстоит решить.
НЕЗАВИСИМОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В главе 3 было отмечено, что мягкой характеристикой обладают коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Поэтому их в подавляющем большинстве случаев используют на электровозах постоянного и переменного тока. Однако локомотивы с такими двигателями, в особенности электровозы постоянного тока, как уже было отмечено, склонны к бок-сованию. Боксование возникает чаще всего, когда все шесть или восемь тяго
вых двигателей соединены последовательно. Объясняется это следующим.
В процессе движения электровоза с составом не исключена возможность того, что по каким-либо причинам уменьшится нагрузка на колесную пару или колеса будут катиться по загрязненной поверхности рельсов. В обоих случаях сила сцепления колес с рельсами уменьшится. Вследствие мягкой характеристики тягового двигателя даже небольшое проскальзывание колесной пары вызовет незначительное снижение силы тяги и интенсивное увеличение частоты ее вращения (см. рис. 11, б). Это в свою очередь значительно снижает коэффициент трения колеса о рельс и тяговые двигатели вместе с колесной парой переходят в режим разносного боксования. В таком режиме частота вращения двигателя может превысить максимальную, гарантированную заводом, что может привести к возникновению кругового огня на коллекторе, нарушению геометрической формы коллектора, разрыву бандажей якоря и износу колес и рельсов.
Одновременно ухудшаются условия работы остальных тяговых двигателей, электрически связанных с двигателем боксующей колесной пары. Как уже отмечалось, при последовательном соединении двигателей, например, восьмиосного электровоза с выключенным пусковым реостатом на каждый двигатель приходится */в напряжения контактной сети, или 375 В. Возникшее боксование нарушит равномерное распределение напряжения. Допустим, что частота вращения якоря возросла в 2 раза; соответственно примерно в 2 раза возрастет э. д. с. боксующего двигателя и напряжение, приходящееся на него, станет равным примерно 750 В, а на остальных семи понизится до 320 В. Кроме того, снизится ток в цепи всех тяговых двигателей. В результате
снижения напряжения у семи двигателей и тока в цепи всех двигателей уменьшится скорость движения поезда и сила тяги электровоза, т. е. нарушится нормальный процесс движения.
При восстановлении прежних условий сцепления (увеличится нагрузка на колесную пару, электровоз минует загрязненный участок рельсов) может не прекратиться начавшееся боксование, так как мал коэффициент трения при развившейся большой скорости у оси с боксующим двигателем. Чтобы прекратить боксование, машинист должен применить песок или уменьшить силу тяги электровоза, например, сняв ослабление возбуждения двигателя либо включив секции пускового реостата. Эти действия связаны с потерями силы тяги, скорости, дополнительным расходом электроэнергии и задержкой поезда. Происходящее при последовательном соединении тяговых двигателей перераспределение напряжений приводит к работе боксующего двигателя на более высокой характеристике. (Вспомним, что частота вращения двигателя прямо пропорциональна подводимому напряжению (см. с. 29) Это приводит к снижению вероятности восстановления сцепления без участия машиниста.
Значительно увеличивается вероятность автоматического восстановления сцепления после его срыва, если тяговый двигатель имеет жесткую характеристику (см. рис. 11, а). В этом случае даже небольшое увеличение частоты вращения якоря двигателя у колесной пары, начавшей боксовать, вызывает резкое снижение силы тяги, и скорость проскальзывания колес возрастает незначительно. Как только восстановятся нарушенные по каким-либо причинам условия сцепления, боксование колесной пары прекратится без вмешательства машиниста.
167
Жестким характеристикам свойственно еще одно немаловажное преимущество. Уже отмечалось, что электровоз имеет семейство тяговых характеристик (так, для электровоза ВЛ 10 их число равно 15, см. рис. 42). При независимом возбуждении можно получить большее число их в пределах, допустимых по сцеплению, току и скорости движения, плавно изменяя ток возбуждения с помощью полупроводниковых преобразователей. Примерно то же можно обеспечить при смешанном возбуждении двигателей (последовательное и независимое), изменяя соотношение токов, независимого и последовательного возбуждения.
На электровозах постоянного тока возникают затруднения с применением независимого возбуждения. Это связано со сложностью структуры полупроводниковых преобразователей, так как для независимого питания обмоток возбуждения тяговых двигателей необходимо сначала преобразовать постоянный ток в переменный, затем понизить напряжение, выпрямить его и регулировать напряжение с помощью тиристоров.
Кроме того, при резком изменении напряжения в контактной сети (это возможно в эксплуатации) могут возникнуть большие броски тока в обмотках возбуждения и якоря, а значит, и резкие изменения силы тяги со всеми вытекающими отсюда последствиями. Для ограничения бросков тока необходимо устанавливать специальные устройства.
Более благоприятны условия для использования преимуществ независимого возбуждения на электровозах переменного тока. Независимое возбуждение тяговых двигателей в режимах электрического торможения как реостатного, так и рекуперативного применено на электровозах ВЛ80т, ВД80с,
168
ВЛ80р (см. рис. 67). В режиме тяги резкие колебания напряжения в контактной сети переменного тока в достаточной степени сглаживаются индуктивностью обмоток тяговых трансформаторов, реакторов и дросселей, поэтому дополнительных сглаживающих устройств не требуется.
Тяговые двигатели переменного тока всегда соединены параллельно, и поэтому исключаются неприятности, вызываемые боксованием одной или тем более нескольких колесных пар, обусловленные их последовательным соединением. Однако и при параллельно соединенных тяговых двигателях может возникнуть боксование какой-либо колесной пары. В этом случае ток соответствующего двигателя уменьшается, так как возрастает э. д. с. в обмотке якоря. В связи с этим повышается напряжение на выпрямительной установке и на всех остальных тяговых двигателях, ток их несколько возрастает, а следовательно, возрастает и сила тяги. В результате компенсируется потеря силы тяги колесной пары, у которой нарушено сцепление.
В случае независимого возбуждения уменьшается скольжение боксующей пары (по сравнению со скольжением при последовательном возбуждении), т. е. меньше потеря силы тяги, более интенсивно увеличивается напряжение, а следовательно, ток и сила тяги небок-сующих колесных пар. Благодаря этому общая сила тяги электровоза снижается значительно меньше, чем при последовательном возбуждении двигателей.
Однако недостатки жестких характеристик весьма существенны. Не устранив их или хотя бы не смягчив, нецелесообразно применять тяговые двигатели с жесткими характеристиками на электроподвижном составе. Основной недостаток — плохое распределение нагрузок между параллельно
работающими двигателями. Опыт эксплуатации специально переоборудованных электровозов ВЛ60к показал, что для максимального использования мощности тяговых двигателей следует сочетать оба способа возбуждения: последовательное при относительно небольших нагрузках, используя положительные свойства мягкой характеристики, и независимое при реализации силы тяги, близкой к ограничению по сцеплению.
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Существенно повысить силу тяги и скорость движения невозможно, не увеличив мощность тяговых двигателей электровозов. Но дальнейшее повышение их мощности осуществлять все трудней и трудней. Этому препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр — расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя — централью Ц (см. рис. 3). До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений размеров двигателей мощность их повышали, применяя более теплостойкие изоляционные материалы, усиливая охлаждение, увеличивая число пар полюсов, применяя компенсационную обмотку, выбирая оптимальное напряжение для тяговых двигателей электровозов переменного тока.
С повышением мощности двигателей все напряженнее работает коллекторнощеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности коллекторных тяговых двигателей не способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне
Рис. 126. Схема (а), статор (б) и ротор (в) асинхронного двигателя
понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.
Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями. На протяжении всей истории создания и совершенствования электровозов не раз пытались использовать на них самый простой и дешевый асинхронный двигатель. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее с этой целью электро-машинные преобразователи были тяжелыми и громоздкими. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.
Устройство асинхронного тягового двигателя, как отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 126). Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с торцов кольцами. Обмотка представляет собой так называемое «беличье колесо».
В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно
169
другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют «звездой» (рис. 126, а). При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу. Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку ротора, наводит 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: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.
Обычно скольжение составляет 1 — 3% синхронной частоты. Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым 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 получить тяговую характеристику, примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.
Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки тягового
170
трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 127) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.
Открывая и закрывая тиристоры инвертора 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, изменяющийся синусоидально. При этом каждая фаза питающего напряжения сдвинута относительно другой на 120° эл., как показано на рис. 128. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями тиристоры инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих тиристоров.
В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют, переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы питающего напряжения.
На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а на базе элек-
тровоза ВЛ80к. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80к. Один из вариантов (12-осный, мощность часового режима 11400 кВт) электровоза с асинхронными тяговыми двигателями получил обозначение ВЛ86*. Он разработан в содружестве с финской фирмой «Стрёмберг».
Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве бес-коллекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать и синхронные двигатели со статическими (вентильными) преобразователями — так называемые вентильные двигатели.
Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре расположена трехфазная обмотка, а на роторе — обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 129). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от другого. Фазные обмотки статора соединены в «звезду»; начала их подключены к преобразователю — инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямителя В, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры VS1 и VS5 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор VS1, обмотки статора I и II, тиристор VS5, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямитель. При указанном стрелками направлении тока в обмотках I, 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.
Рис. 127. Структурная схема электровоза с асинхронными двигателями '
Рис. 128. Диаграмма фазных напряжений асинхронного тягового двигателя
Рис. 129. Принципиальная схема вентильного двигателя
171
Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, у которой коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. В отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо 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 (максимальное допустимое 37—42 В). Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляет система управления, имеющая специальный датчик положения ротора.
Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом, вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного преобразователя и связывающей их системы управления.
Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80в с вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического управления, действующей в режимах тяги и электри
172
ческого торможения. На 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.
Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямителя регулируется примерно так же, как и на электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того как к двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.
На опытных электровозах ВЛ80® схема выпрямления и преобразования тока несколько отличается от изображенной на рис. 129. На рис. 129 показаны отдельно выпрямитель В и инвертор И, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ80в выпрямитель и инвертор совмещены.
ПЕРСПЕКТИВЫ ЭЛЕКТРОВОЗОСТРОЕНИЯ
Чтобы успешно справляться с растущими перевозками, необходимо повышать мощность локомотивов. С этой целью предусмотрен выпуск 12-осных грузовых электровозов постоянного тока ВЛ 15 и переменного тока ВЛ85. Их внедрение позволит поднять примерно в 1,5 раза весовые нормы поездов по сравнению с нормами, установленными для электровозов ВЛ 10 и ВЛ80.
Необычна колесная формула этих электровозов: 2(2О-2О-2О). Впервые в практике отечественного локомотиво-строения каждая секция имеет три двухосные несочлененные тележки. Продольная связь тележек с кузовом осуществляется через наклонные тяги, что обеспечивает высокий коэффициент использования сцепного веса электровоза и позволяет отказаться от противо-разгрузочных устройств.
Электровозы ВЛ 15 и ВЛ85 являются самыми мощными в мире на железных дорогах, электрифицированных соответственно по системам постоянного и переменного тока. Мощность электровоза ВЛ 15 в часовом режиме составляет 9000 кВт, электровоза ВЛ85 — 10 100 кВт.
На электровозе ВЛ85, как и на ВЛ80р, применено плавное бесконтактное зонно-фазовое регулирование выпрямленного напряжения (см. рис. 65). Принципиальное отличие электровоза ВЛ85 от серийных локомотивов ВЛ801’ состоит в том, что он впервые оборудован системой автоматического управления (САУ). Она работает в режимах тяги и торможения и позволяет плавно разгонять поезд с выбранным машинистом током до заданной скорости. САУ обеспечивает стабилизацию заданной скорости при движении по участку в тяговом режиме, а в режиме торможения — поддержание скорости при движении по спуску и при необходимости — торможение до остановки. Рекуперативное торможение, как и на электровозах ВЛ80р, в области низких скоростей движения (около 10—15 км/ч) автоматически плавно заменяется реверсивным (противотоковым), которое позволяет тормозить до остановки с полным рабочим током. Реверсивный режим может быть использован и для осаживания состава, так как после
остановки, если схему не разобрать, начнется его движение в обратную сторону.
Продолжается совершенствование бесконтактного регулирования напряжения тяговых двигателей. Систему импульсно-фазового регулирования — систему РИФ — разрабатывают ученые ВНИИЖТа для э. п. с. переменного тока. Дополнительное применение при фазовом регулировании напряжения коммутации включения и коммутации выключения в пределах каждого полупериода питающего напряжения позволяет улучшить качество регулирования напряжения и повысить коэффициент мощности этих локомотивов.
Системой РИФ оборудован опытный моторный вагон электропоезда ЭР29. Изготовлен макетный электровоз ВЛ80-РИФ. Начаты опытно-конструкторские работы по созданию нового электровоза ВЛ88 с системой РИФ. Предварительные расчеты показывают, что такое регулирование напряжения уменьшает на 20—25% ток нагрузки контактной сети, а к. п. д. электровоза может быть повышен до 0,88, т. е. до к. п. д. электровоза постоянного тока. Система РИФ может быть использована не только при создании нового перспективного электроподвижного состава с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями, но и при модернизации существующего парка.
К совершенствованию механической части электровоза относится применение рамного подвешивания. Это наиболее эффективное средство уменьшения динамического воздействия непод-рессоренных масс экипажа на путь; оно снижается почти вдвое. Отработка конструкции и технологии изготовления привода с рамным подвешиванием проводилась заводами-изготовителями на опытных электровозах ВЛ84; в дальнейшем предполагается устанавливать
173
отработанный привод на локомотивах всех серий. Ведутся работы по созданию для такого привода коллекторных двигателей мощностью более 850 кВт для электровозов постоянного тока и 950 кВт для электровозов переменного тока. Предполагается также, что конструктивное исполнение, качество и свойства применяемых материалов, и, кроме того, технология изготовления должны обеспечить работу этих двигателей в течение всего срока службы без замены изоляции.
Прототипом их являются двигатели с независимым возбуждением, установленные на опытных электровозах ВЛ84.
Некоторого улучшения энергетических показателей перспективных локомотивов, а также повышения их надежности можно добиться, совершенст
вуя режимы работы вспомогательных машин.
Предполагается осуществить с помощью статического преобразователя регулирование подачи вентиляторов в зависимости от температуры нагрева обмоток тяговых двигателей, создать двухскоростной двигатель для привода вентиляторов в летнем и зимнем режимах.
На электровозе ВЛ85 при выключении мотор-вентиляторов и мотор-комп-рессоров автоматически отключается также расщепитель фаз (см. рис. 80).
Мероприятия по сокращению расхода энергии на собственные нужды, которые были осуществлены на опытных электровозах переменного тока, позволили увеличить к. п. д. этих электровозов на 2% по сравнению с к. п. д. электровозов, выпускаемых серийно.
Ю ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ, СОДЕРЖАНИЕ И РЕМОНТ
ЭЛЕКТРОВОЗОВ
СПОСОБЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОЕЗДОВ ЛОКОМОТИВАМИ
Важно не только создать мощные, надежные, быстроходные локомотивы, но и так организовать их эксплуатацию, чтобы они работали с максимальной отдачей.
Эффективность использования локомотива характеризуется его производительностью, т. е. выполняемой полезной работой по перемещению грузов в единицу времени. Производительность локомотива определяется произведением массы проведенных им за сутки поездов (в тоннах) на путь, пройденный этими поездами (в километрах). Обычно производительность локомотива исчисляется в тонно-километрах (т-км) брутто.
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 число локомотивов. Депо могло обслуживать не одно, а два тяговых плеча, отходящих от него 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 запасом топлива, который паровоз мог взять с собой в рейс. Воды обыч
но на все тяговое плечо не хватало, и ее дополнительно набирали на промежуточной станции. По прибытии в оборотное депо локомотив отцепляли, бригада осматривала его и шла отдыхать. Пока бригада отдыхала, паровоз простаивал. Затем локомотив снабжали топливом, прицепляли к составу, и он вел состав на станцию, где находилось 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 ним.
К каждому паровозу были прикреплены 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 локомотив подолгу простаивал 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 паровозов, получая электрическую энергию от электростанций, могут проходить очень большие расстояния без отцепки от состава. Их не нужно снабжать ни топливом, ни водой. Барабинские и омские электровозники, оценив возможности новых локомотивов, первыми в стране в 1957 г. перешли на прогрессивный
175
----Участки работы локомотиВоб
- — Участки работы бригад
Д Пункты смены локомотибных бригад
О Пункты смены локомотиЫ
Рис. 130. Схема обслуживания электровоза сменными бригадами
способ эксплуатации современных локомотивов на удлиненных тяговых плечах при обслуживании их сменными локомотивными бригадами. Электровозы депо Барабинск и Московка начали работать без отцепки от состава на участке протяженностью 640 км. В результате среднесуточный пробег электровозов возрос на 60 км, а производительность — на 14%.
К 1970 г. 845 коротких тяговых плеч были заменены на 322 и их средняя протяженность достигла 600 км, а протяженность, например, тягового плеча Маринск — Зима Восточно-Сибирской дороги составляет 1222 км.
Удлиненные тяговые плечи, или, как их называют, участки обращения, вышли за границы отделений и даже за пределы дорог1. Электровозы теперь следуют без отцепки от состава на расстояние 1000—1500 км.
В новых условиях пришлось отказаться от постоянного закрепления бригад за определенным локомотивом. Бригады 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
1 Железнодорожная сеть СССР имеет развитую систему управления: она разделена на 32 дороги, каждая из которых состоит из отделений, а отделения включают в себя различные предприятия, в частности депо.
176
частью происходит на станционных путях без отцепки локомотива. Так, электровоз без отцепки следует, например, от станции А до Д (рис. 130), в то время как локомотивные бригады меняются на станциях Б, В и Г.
Новая организация эксплуатации локомотивов создала благоприятные условия для совершенствования всего перевозочного процесса. Вместе с тем потребовалась более четкая, продуманная организация движения поездов на целых направлениях. За использование локомотивов теперь несут ответственность работники службы движения, т. е. те люди, которые могут непосредственно планировать использование тяговых средств. Работники же локомотивного хозяйства должны поддерживать локомотивы в работоспособном состоянии и обеспечивать выполнение требований безопасности движения.
Для того чтобы электровозы могли надежно и высокопроизводительно работать на длинных участках обращения, их нужно своевременно экипировать, правильно содержать и хорошо ремонтировать.
ЭКИПИРОВКА, ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТ 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 или открытого типа. Экипировочные устройства открытого типа часто располагают на приемо-отправочных путях станций, на которых производят экипировку локомотивов без отцепки от состава.
Песочницы электровоза заполняют песком из раздаточных бункеров. Прежде чем подать песок в бункер, его просеивают и сушат в специальной вращающейся барабанной печи. Просушенный песок из печи попадает в 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, в котором масло находится под давлением.
Эксплуатация электровозов на удлиненных участках обращения позволила значительно повысить их производительность. Но одновременно детали и узлы электровозов стали работать более интенсивно, напряженно, а время, в течение которого локомотивные бригады могли бы приводить в порядок эти узлы и детали, сократилось. Чтобы обеспечить в таких условиях работоспособность электровоза, необходимо совершенствовать систему периодического технического обслуживания и ремонтов.
С самого начала эксплуатации электровозов на отечественных железных дорогах была принята планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта. В соответствии с ней техническое обслуживание и ремонт производятся через определенные пробеги или время работы локомотивов в зависимости от вида обслуживания или ремонта. Периодически, по мере укрепления ремонтной базы, накопления опыта, улучшения конструкции локомотивов, совершенствования форм и методов эксплуатации, повышения квалификации локомотивных и ремонтных бригад изменялись виды ремонта и осмотра электровозов, нормы
177
пробега между ремонтами, объем ремонта, время простоя в нем. Начиная с 1955 г. система ремонта для новых видов тяги устанавливается приказами министра путей сообщения.
Действующая на железнодорожном транспорте система планово-предупредительного технического обслуживания и ремонта электроподвижного состава, установленная приказом министра путей сообщения в 1981 г., направлена на улучшение его технического состояния и повышение эксплуатационной надежности.
Для поддержания работоспособности и надлежащего санитарно-гигиенического состояния электровозов предусматривается выполнение четырех видов технического обслуживания: ТО-1, ТО-2, ТО-3 и ТО-4.
Техническое обслуживание ТО-1 выполняет локомотивная бригада при приемке и сдаче локомотива (в течение времени, установленного графиком движения поездов) и в процессе эксплуатации электроподвижного состава.
Техническое обслуживание ТО-2 производят бригады высококвалифицированных слесарей в специально оборудованных пунктах,— как правило, в крытых помещениях, оснащенных необходимым технологическим запасом материалов и запасных частей. С техническим обслуживанием ТО-2 совмещают экипировку, уборку и санитарно-гигиеническую обработку электроподвижного состава. Периодичность технического обслуживания ТО-2 устанавливают исходя из условий эксплуатации, размещения пунктов технического обслуживания и протяженности участков обращения при безусловном обеспечении безопасности движения; интервал между техническими обслуживаниями ТО-2 должен быть не менее 48 ч.
Техническое обслуживание ТО-3 и текущие виды ремонта выполняют в основных локомотивных депо комплексные и специализированные бригады.
В процессе технического обслуживания ТО-4 производят обточку колесных пар без выкатки их из-под электро-подвижного состава.
При любом виде технического обслуживания устраняют видимые дефекты, смазывают трущиеся части, регулируют тормозную систему, закрепляют детали, осматривают тяговые двигатели, электрические машины и аппараты, поддерживают чистоту их изолирующих частей и контактных поверхностей.
Текущие ремонты ТР-1, ТР-2, ТР-3 производят с целью ревизии, замены или восстановления изношенных узлов и деталей, а также испытания и регулировки аппаратов и приборов, повышения работоспособности электро-подвижного состава.
При текущих ремонтах ТР-1 и ТР-2 производят на электроподвижном составе частичную разборку оборудования, если неисправность его не может быть определена наружным осмотром, а также приводят к норме зазоры в узлах трения. В процессе текущего ремонта осматривают, ремонтируют, заменяют изношенные детали, смазывают трущиеся части оборудования, выполняют ревизию таких ответственных узлов, как зубчатые передачи, моторноосевые подшипники, компрессоры, токоприемники, автотормозное оборудование, автосцепные устройства, гидравлические амортизаторы, опоры кузова, защитная аппаратура и многие другие.
При текущем ремонте ТР-3 снимают тяговые двигатели и вспомогательные машины, выкатывают колесные пары и демонтируют другие узлы оборудования, разбирая их для проверки
178
и ремонта. Производят подъемку кузова, выкатку, очистку и ремонт рам тележек, кожухов зубчатых передач, песочных труб, деталей подвески тяговых электродвигателей, освидетельствование колесных пар; ревизию и ремонт букс, рессорного подвешивания, тормозной рычажной передачи, опор кузова, гидравлических амортизаторов, межтележечных соединений, окраску кузова, тележек, ремонт электрических машин, пневматического оборудования с гидравлическим испытанием резервуаров.
Электрическую аппаратуру, устройства автоматической локомотивной сигнализации, радиосвязи, скоростемеры осматривают, проверяют, ремонтируют и регулируют.
На локомотивных заводах Министерства путей сообщения выполняют капитальный ремонт электроподвиж-ного состава видов К.Р-1 и КР-2. Капитальный ремонт КР-1 производят для восстановления эксплуатационных характеристик электровозов, а КР-2 — для восстановления ресурса электро-подвижного состава: при этом заменяют или восстанавливают любые его части, выполняют регулировку.
При капитальных ремонтах тележки разбирают и ремонтируют, снимая оборудование; производят ремонт буксового узла, обрезиненных изделий, заменяя негодные детали, опоры и возвращающие устройства. Ремонтируя рессорное подвешивание, заменяют листовые рессоры и пружины, полностью освидетельствуют и ремонтируют колесные пары, тяговые двигатели и вспомогательные машины, тормозное и пневматическое оборудование. Кроме того, выполняют полный ремонт кузова и всех его деталей.
Электрические аппараты регулируют, проверяют и испытывают, аккумуляторные батареи заменяют; проверяют
состояние и крепление высоковольтных и низковольтных проводов, замеряют сопротивление их изоляции, провода, у которых сопротивление изоляции ниже нормы, заменяют.
При ремонте КР-2 полностью заменяют низковольтные и высоковольтные провода, разбирают и при необходимости заменяют воздуховоды, производят их гидравлические испытания, заменяют изношенные части рамы и детали кузова.
Технологический процесс ремонта электроподвижного состава имеет много общего с процессом изготовления электровозов; кроме заготовительной, обработочной и сборочной стадий он включает в себя еще разборочную и ремонтную. Если технология и объем работ, входящих в разборочную и сборочную стадии, постоянны для электроподвижного состава данной серии, то на ремонтной стадии из-за различных характера, износа и повреждений одноименных деталей объем ремонтных работ и технология их выполнения могут существенно различаться. Это обстоятельство значительно усложняет организацию производственного процесса при ремонте электроподвижного состава.
Чтобы восстановить эксплуатационные характеристики электровоза путем ремонта или замены изношенных составных частей, производят капитальный ремонт первого объема КР-1. Полное восстановление ресурса (запаса) электровоза, замену, восстановление и регулировку любых его узлов осуществляют при капитальном ремонте второго объема КР-2.
Капитальные ремонты КР-1 и КР-2 выполняют на локомотиворемонтных заводах.
Понятие «ремонт» с давних пор обычно связывали с кустарщиной, ручным тяжелым трудом. Во времена паро
вой тяги это было действительно так. Казалось, что индустриальные методы — широкую механизацию, автоматизацию, поточные методы и конвейеры — применить при ремонте невозможно.
Однако новые локомотивы, насыщенные деталями и узлами большой точности, устройствами автоматики, сложными приборами, в том числе и электронными, нельзя ремонтировать кустарным способом. Новая техника потребовала совершенствования организации ремонта. Теперь в электровозных депо, как и на ремонтных заводах, применяют прогрессивный крупноагрегатный метод ремонта локомотивов, при котором многие крупные узлы заменяют заранее отремонтированными.
При крупноагрегатном методе оказывается возможным применить поточные линии для восстановления отдельных узлов и деталей.
На этих линиях осуществлена комплексная механизация технологических процессов.
Предусмотрено, начиная с 1989 г., внедрять в депо поточные линии ремонта колесных пар и бесчелюстных тележек локомотивов.
Важное значение имеет внедрение научной организации труда, применение системы сетевого планирования и управления производством. Метод сетевого планирования позволяет по-новому подойти к организации ремонта. В основе метода лежит использование сетевых графиков выполнения работ по ремонту отдельных узлов, а также деталей локомотивов для каждого вида текущего ремонта.
Сетевые графики содержат информацию о продолжительности ремонтных работ, последовательности их выполнения.
Использование этой информации позволяет там, где это возможно, по
179
следовательное выполнение операций заменить параллельным и выявить полученные при такой замене резервы времени.
На основе анализа сетевого графика распределяют трудовые и временные ресурсы, определяют количество рабочих мест и единиц оборудования, необходимых для выполнения каждой технологической операции. Сетевой график показывает также все взаимосвязи операций во времени, совокупность которых представляет собой ремонтный процесс.
С учетом передовых методов ремонта обосновываются нормы и требования, предъявляемые к качеству ремонтных работ.
Оперативный контроль за реализацией сетевого графика позволяет своевременно и правильно реагировать на любое отклонение в технологическом процессе ремонта от предусмотренного сетевым графиком.
Опыт ряда передовых депо, таких как Рыбное, Георгиу-Деж, Курган и других, показывает, что, используя принципы научной организации труда в сочетании с возможностями современных методов управления качеством производственных процессов, можно практически организовать бездефектный ремонт локомотивов. Для этого необходимо наладить систему сбора и учета исходной объективной информации о всех причинах, влияющих на качество ремонтных работ, выполнить научный анализ этой информации и разработать систему контроля качества исполнения различных технологических операций применительно к конкретным условиям локомотивного депо.
Система бездефектного ремонта включает в себя организацию контроля, а также моральную и материальную
заинтересованность исполнителей в качестве своего труда.
Система планово-предупредительных ремонтов, базирующаяся на выполненном локомотивом пробеге, предусматривает ремонт и замену узлов и деталей электроподвижного состава независимо от их действительного технического состояния. В действительности срок службы устройств, подлежащих ремонту, имеет существенный разброс как в меньшую, так и в большую сторону.
Поэтому на дорогах все больше накапливается опыт по диагностике (распознаванию) состояния локомотивов с помощью специально разработанных аппаратов.
Диагностические установки являются эффективным средством без-разборного контроля за текущим состоянием такого ответственного узла подвижного состава, как колесно-моторный блок, в состав которого входят тяговый двигатель, редуктор и их подшипники.
Основное требование, предъявляемое к диагностическому устройству,— точность измерений, которая может быть достигнута только с применением современной техники. Электронно-вычислительные	машины
(ЭВМ.) позволяют значительно сократить время, затрачиваемое на обработку диагностической информации, выработать конкретные рекомендации на неплановую разборку того или иного колесно-моторного блока.
Современные системы диагностирования оказывают существенную помощь при выполнении контроля технического состояния тяговых двигателей.
Так, техническое состояние коллекторно-щеточного узла тягового дви
180
гателя при испытании на стенде оценивают визуально по степени искрения под сбегающим краем щетки в баллах согласно ГОСТ 183—74. Однако этот критерий субъективен и не всегда отражает подлинную картину. Специальный диагностический прибор может регистрировать электромагнитное излучение пары «щетка — коллектор» в широком диапазоне волн. При использовании прибора диагностика электродвигателей выполняется в режиме малых нагрузок (менее 1% его номинальной мощности) . Это дает возможность совмещать операции контроля состояния коллекторно-щеточного узла, якорных подшипников и тягового редуктора.
Каждой неисправности соответствует своя частота. При наличии нескольких неисправностей различных узлов колесно-моторного блока выделить одну из них без использования ЭВМ становится трудно.
С помощью ЭВМ оказывается возможным не только выделить тот или иной вид дефекта, но и определить остаточный ресурс (т. е. путь в километрах, который еще может пройти локомотив до ремонта) диагностируемого колесно-моторного блока.
С 1988 г. планируется внедрение по депо комплектов средств диагностирования тяговых электродвигателей локомотивов, в частности для проверки состояния их изоляции.
Необходимость дальнейшего совершенствования диагностической аппаратуры диктуется широким распространением на электроподвижном составе полупроводниковых преобразователей и других электронных устройств. На поиск неисправного оборудования, например, таких преобразователей, уходит до 90% времени,
затрачиваемого на техническое обслуживание.
Чтобы ускорить поиск поврежденных силовых полупроводников без разбора схем, разработаны и внедрены различные диагностические установки. Так, на пункте технического обслуживания Балезино Горьковской дороги, создан прибор, датчиком которого является трансформатор тока. Первичной обмоткой трансформатора служит цепь проверяемого силового вентиля, по которой пропускают небольшой ток (1 А), а во вторичную обмотку включен измерительный прибор. По различным показаниям измерительного прибора (0; 0,5/ или /) можно оценить состояние вентиля. Эти показания соответствуют: 0 — обрыву (выгоранию структуры вентиля); 0,5/ — исправному состоянию; / — короткому замыканию.
Разработаны и другие диагностические установки, позволяющие сократить время обнаружения неисправностей в конкретных узлах, содержащих полупроводниковые приборы. Таким примером может служить диагностический прибор, предназначенный для проверки работоспособности регулятора возбуждения тяговых двигателей перспективного электропоезда ЭР31.
Прибором осуществляют комплексные измерения на различных участках проверяемой схемы. Для этого в тиристорном регуляторе возбуждения предусматривают набор контрольных точек, к которым подключают прибор.
В соответствии с разработанной последовательностью поиска неисправных элементов даны порядок операций подсоединения к контрольным точкам, а также признаки исправного и неисправного состояний. Каждому состоянию соответствует
181
определенная световая индикация — загорание определенных ламп прибора.
Возможные причины отказа отражены в специально разрабонной таблице, прилагаемой к диагностическому прибору. Прибор позволяет диагностировать регулятор возбуждения, не демонтируя его, как в статическом режиме, так и в динамическом (режим коммутации силовых тиристоров).
Более высоким уровнем диагностики является комплексная проверка работоспособности полупроводниковых преобразователей и систем управления для электровоза в целом.
При этом технология поиска неисправностей и прогнозирования отказов может основываться только на применении ЭВМ.. Для успешного использования так называемого управляющего вычислительного комплекса (УВК) предварительно необходимо обеспечить возможность подключения УВК к контрольным точкам и создать достаточно простые методы и алгоритмы диагностики, а также их программное обеспечение на ЭВМ.
Система с таким уровнем диагностики разработана и внедрена в депо Боготол Красноярской дороги. Она предназначена для проверки блока управления выпрямительно-инверторного преобразователя (БУВИП) электровоза ВЛ80р.
Широкое применение диагностических комплексов позволит сопоставить результаты предыдущих измерений параметров локомотива, хранимых в памяти ЭВМ, и последующих диагностических измерений как для механических узлов электроподвижного состава, так для электрических и электронных аппаратов и установок. Тем самым создается возможность рассчитать остаточные ресурсы всех частей электровоза при каждом диагностировании и определить динамику их изменений. В будущем это позволит перейти от планово-предупредительного к планововыборочному ремонту в зависимости от индивидуальной потребности в ремонте или замене изношенных узлов и деталей каждого эксплуатируемого локомотива.
П КОРОТКО ОБ ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ, ОСОБЕННОСТЯХ ИХ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Трудно переоценить значение «электричек», как называют их пассажиры, пользующиеся услугами пригородных электропоездов. Ежегодно миллионы людей совершают поездки на электропоездах. Только железнодорожный узел столицы перевозит за год в пригородном сообщении более полумиллиарда пассажиров.
Начало внедрению электрической тяги на железных дорогах положила, как уже отмечалось, электрификация пригородного участка Баку — Сабун-чи — Сураханы, предназначенного для перевозки рабочих нефтепромыслов. Для этого участка вагоны построил Мытищинский вагоностроительный завод, а тяговые двигатели — завод «Динамо» им. С. М. Кирова.
Для следующего пригородного электрифицированного участка Москва — Мытищи (1929 г.) моторвагонные секции также создавал Мытищинский завод, а тяговые двигатели для них — завод «Динамо». Секция состояла из моторного вагона в сцепе с двумя прицепными (по обе стороны от моторного); управление ею осуществлялось из кабин, расположенных по концам обоих прицепных вагонов. Моторные вагоны получили обозначение Св.
В 1932—1941 гг. Мытищинский завод и завод «Динамо» выпускали трехвагонные секции Сд. С 1947 г. Рижский вагоностроительный завод (РВЗ) начал выпускать трехвагонные секции С₽.
183
Электрическое оборудование для них также поставлял завод «Динамо» им. С. М. Кирова. Так как в то время электрифицированные дороги постоянного тока работали с напряжением в контактной сети 1500 и 3000 В, секции могли работать на двух напряжениях. С 1949 г. все оборудование для секций изготовлялось Рижским вагоностроительным и Рижским электротехническим (РЭЗ) заводами.
В связи с тем что новые участки железных дорог электрифицировались только на напряжение 3000 В и на это же напряжение стали переводить участки 1500 В, необходимость в постройке секций Ср отпала. С 1952 г. РВЗ и РЭЗ стали выпускать трехвагонные секции С§ на 3000 В. Из них формировались электропоезда в составе девяти или шести вагонов. Однако эти секции имели невысокое ускорение (один из наиболее важных параметров в пригородном движении с частыми остановками) и низкую конструкционную скорость (85 км/ч).
Устранить эти недостатки можно было, увеличив число моторных вагонов в поезде. В 1957 г. рижские заводы совместно с заводом «Динамо» им. С. М. Кирова выпустили первые десятивагонные электропоезда серии ЭР1 с пятью моторными вагонами, прекратив постройку секций С§. Максимальная скорость электропоезда ЭР1 повысилась до 130 км/ч, пусковое ускорение возросло до 0,6 м/с2. В состав электрооборудования вошли машины и
аппараты более совершенной конструкции.
С 1962 г. Рижский и Калининский вагоностроительные заводы начали выпуск электропоездов ЭР2. В отличие от ЭР1 они имели удлиненные наружные раздвижные двери для возможности посадки и высадки пассажиров на остановках с низкими и высокими платформами.
В 1964—1968 гг. была выпущена партия электропоездов ЭР22, оборудованных рекуперативно-реостатным торможением. Конструкционная скорость такого поезда осталась на уровне 130 км/ч, поскольку повышать ее для условий пригородного движения нецелесообразно, зато пусковое ускорение возросло до 0,7 м/с2. Однако эксплуатация этих электропоездов выявила и ряд недостатков, связанных с температурной нестабильностью характеристик системы регулирования торможения в эксплуатации и ограниченностью диапазона применения рекуперативного торможения, особенно при повышении напряжения в контактной сети. Эти недостатки вызывали повышенный износ коллекторов тяговых двигателей и значительное количество круговых огней. В связи с этим постройка электропоездов ЭР22 была прекращена.
В постоянной эксплуатации с 1984 г. находится электропоезд ЭР200 для междугородного пассажирского сообщения, способный развивать скорость до 200 км/ч. Он состоит из 12 моторных вагонов, имеющих 48 тяговых двигателей, и двух прицепных головных вагонов.
В связи с начавшейся электрификацией железных дорог по системе переменного тока в июле 1959 г. РВЗ выпустил первую двухвагонную секцию, состоящую из моторного и прицепного вагонов. После всесторонних испытаний заводами РВЗ, РЭЗ совместно с Крли-
184
нинским вагоностроительным и другими заводами был выпущен первый десятивагонный электропоезд переменного тока ЭР7 с ртутными выпрямителями. Затем на этих поездах ртутные выпрямители, как и на электровозах, заменили кремниевыми (ЭР7К).
Опыт эксплуатации электропоездов ЭР7К был учтен при постройке электропоездов ЭР9, серийный выпуск которых начался в 1962 г. Электропоездам, у которых выпрямительные установки стали располагать под вагонами, было присвоено обозначение ЭР9П. В настоящее время освоен выпуск новых модификаций электропоезда переменного тока — ЭР9М и ЭР9Е, имеющих модернизированное оборудование, улучшенную механическую часть и повышенные комфортные условия для пассажиров.
Выпускаемые электропоезда как постоянного, так и переменного тока из-за отсутствия на них электрического торможения уже не удовлетворяют современным требованиям. В связи с этим создан опытный электропоезд ЭР29 (переменного тока) с вагонами длиной 21,5 м и двумя-тремя входными дверьми; конструкционная скорость его 130 км/ч.
Электропоезд ЭР29 является первым из перспективных электропоездов, пусконаладочные испытания которых начались весной 1986 г. Предусмотрены следующие основные режимы его работы: пуск и регулирование скорости в тяговом режиме путем импульснофазового регулирования напряжения тяговых двигателей; служебное рекуперативное торможение со скорости 120 км/ч до скорости 5—10 км/ч и последующее автоматическое замещение его на электропневматическое! Импульснофазовый преобразователь выполняет функции управляемого выпрямителя в режиме тяги и инвертирует постоянный
Рис. 131. Схема формирования электропоездов ЭР2 и ЭР9
ток в однофазный переменный промышленной частоты с одновременным регулированием выходного напряжения в режиме рекуперации. Безреостатный пуск и применение рекуперации для торможения электропоезда позволят за рейс экономить 30—40% электроэнергии по сравнению с расходуемой эксплуатируемыми поездами.
Ведутся испытания системы рекуперативно-реостатного торможения на электропоезде ЭР2Р (он создан на базе серийного ЭР2), имеющем длину вагона 19,6 м. Результаты этих испытаний предусматривается использовать при создании электропоездов ЭРЗО с вагонами унифицированной конструкции длиной 21,5 м. На них будет осуществлен новый принцип плавного импульсного регулирования в режимах тяги и рекуперативного торможения: тиристорно-импульсный преобразователь напряжения должен будет обеспечить безреостатный пуск и рекуперативно-реостатное торможение от конструкционной скорости до полной остановки поезда с автоматическим распределением энергии между контактной сетью и реостатами в зависимости от наличия потребителей этой энергии.
Пока же на отечественных дорогах, электрифицированных по системе постоянного тока, эксплуатируются в основном электропоезда ЭР2, а на дорогах переменного тока — ЭР9 различных модификаций. Электропоезда формируются из секций. В каждую секцию входит моторный (М), прицепной (П) или головной (Г) вагоны (рис. 131). Поезд формируется по схеме: (Г-|-М)-|- (П-|-4-М)+ (П4-М)+ (П+М)+ (М-Р Г). Исключая секции П-)-М, можно умень
шить число вагонов до четырех или, добавив секцию, увеличить до 12 (в частности, возросший поток пригородных пассажиров на отдельных направлениях Московского узла определил необходимость применения двенадцативагонных поездов). В любом варианте электропоезд содержит два головных вагона, а количество моторных равно половине общего числа вагонов. В дальнейшем при описании будем считать, что электропоезд состоит из десяти вагонов.
Конструкционная скорость электропоездов ЭР2 и ЭР9 равна 130 км/ч, в десятивагонном поезде 20 тяговых двигателей. Пусковое ускорение серийных электропоездов составляет 0,6 м/с2, следовательно, поезд может развить скорость до 100 км/ч за время t= v:a= 46 с (при равномерно ускоренном его движении) .
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ
На электропоездах устанавливают тяговые двигатели постоянного тока с питанием от контактной сети напряжением 3000 В и двигатели пульсирующего тока, питающиеся через преобразователи от контактной сети напряжением 25 000 В. Тяговые двигатели имеют последовательное возбуждение (о его преимуществах и недостатках рассказано на с. 31). Все изложенное выше о коммутации, реакции якоря, конструкции тяговых двигателей электровозов относится и к тяговым двигателям электропоездов. Мощность тяговых двигателей электропоездов значительно ниже, чем двигателей электро
185
возов, и в часовом режиме составляет 200 кВт. На каждом моторном вагоне установлено по четыре тяговых двигателя и, следовательно, десятивагонный электропоезд приводят в движение тяговые двигатели общей мощностью 4000 кВт.
Сравнительно небольшая мощность тяговых двигателей и специфика режима работы электропоездов позволяют применить систему самовентиляции; вентилятор устанавливают на валу двигателя. При самовентиляции внутри двигателя создается разрежение, которое способствует проникновению пыли и снега внутрь двигателя. Поэтому на электропоездах забор воздуха осуществляется в верхней части кузова вагона. Воздух проходит через очистительные фильтры и отстойные камеры, а затем через гибкие патрубки, которые соединяются с тяговыми двигателями. При разгоне электропоезда в течение некоторого времени тяговые двигатели работают с током, большим номинального (продолжительного режима) значения. Скорость движения и расход воздуха невелики, что вызывает быстрый нагрев обмоток двигателя. Затем почти во всех случаях происходит движение электропоезда в режиме выбега с достаточно высокой скоростью и торможение. Температура тягового двигателя к очередному пуску после стоянки успевает значительно снизиться.
Пуск тяговых двигателей электропоездов постоянного тока производится при включенном пусковом реостате на последовательном соединении тяговых двигателей моторного вагона с последующим переходом на последовательнопараллельное соединение (по два двигателя в каждой цепи). Напомним, что для электровозов такое соединение условно считают параллельным. При
таком способе пуска потери электроэнергии в пусковых реостатах моторного вагона снижаются до 33% всей энергии, затраченной на пуск, вместо 50%, если бы пуск производился без перегруппировки тяговых двигателей (см. рис. 34) . Это очень важно в условиях пригородного движения со сравнительно частыми остановками и пусками электропоездов.
Переход с одного соединения двигателей на другое осуществляется по мостовой схеме (см. рис. 39). Как и на электровозах, для увеличения числа скоростных характеристик в электропоездах используется ослабление возбуждения. Обычно применяют две его ступени. Направление движения изменяют, переключая обмотки возбуждения.
На электропоездах переменного тока ЭР9 всех индексов к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме подключена выпрямительная установка, собранная из кремниевых диодов; она питает пульсирующим током тяговые двигатели. Тяговые двигатели соединены постоянно в две параллельные группы: по два последовательно в каждой группе. Для регулирования подводимого напряжения и, следовательно, скорости движения вторичная обмотка трансформатора имеет восемь секций с одинаковыми напряжениями в каждой секции; напряжение каждой секции вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе составляет 276 В. Следовательно, максимальное напряжение вторичной обмотки равно 276-8= 2208 В.
В силовую цепь электропоездов, помимо тяговых двигателей, входят в основном те же аппараты, что и на электровозах,— токоприемники, реверсоры, аппараты защиты и т. п. Работой аппаратов силовой цепи управляют с помощью контроллеров машиниста. Но, в отличие от электровозов, необходимые
186
переключения при пуске, разгоне и движении осуществляются автоматически. Применение автоматического управления стало возможным, потому что в отличие от поезда с электрическим локомотивом в голове, где масса состава может изменяться в больших пределах, масса электропоезда определяется в основном тарой вагонов, т. е. практически постоянна. Автоматические переключения происходят под контролем реле ускорения, которое срабатывает в зависимости от значения тягового тока.
Основным групповым аппаратом, производящим все переключения в силовой цепи моторного вагона ЭР2, служит реостатный контроллер, в электропоездах ЭР9 — главный контроллер.
Главная рукоятка контроллера машиниста, с помощью которого управляют работой тяговых двигателей, имеет только четыре положения вместо более трех десятков на электровозах. При постановке ее в положение I реостатный контроллер под контролем реле ускорения, поворачиваясь и производя соответствующие переключения, выводит из цепи управления ступени пускового реостата при последовательном соединении тяговых двигателей. В положении II главной рукоятки контроллера машиниста включается первая, а затем автоматически вторая ступень ослабления возбуждения. Положение III главной рукоятки контроллера соответствует параллельному соединению двигателей. Все необходимые переключения также осуществляются под контролем реле ускорения. Если главная рукоятка контроллера машиниста установлена в положение IV, производится дальнейший разгон электропоезда, так как автоматически поочередно включаются две позиции ослабления возбуждения. Кроме того, главная рукоятка контроллера машиниста имеет маневровое положение, в котором при включенном
187
пусковом реостате и последовательно соединенных двигателях электропоезд перемещается с низкой скоростью.
Столько же положений имеет главная рукоятка контроллера машиниста электропоездов ЭР9. В зависимости от ее положения под контролем реле ускорения поворачивается вал главного контроллера. В результате изменяется число подключенных к выпрямительной установке секций вторичной обмотки трансформатора, а также ступеней ослабления возбуждения.
Защита силовых цепей электропоездов аналогична защите таких цепей на электровозах: начиная от быстродействующего или главного выключателя и кончая защитой от радиопомех. Для предохранения буксовых подшипников колесных пар от электрокоррозии устанавливают по два заземляющих устройства на каждую тележку моторного вагона.
Для обеспечения работы электропоездов устанавливают вспомогательные машины: мотор-компрессоры, мотор-ге-нераторы, мотор-вентиляторы, электронасосы для циркуляции охлаждающего масла в тяговом трансформаторе моторных вагонов ЭР9, расщепитель фаз и др.
В отличие от электровозов двигатели мотор-компрессоров электропоездов постоянного тока работают при номинальном напряжении 1,5 кВ. Для получения напряжения 1,5 кВ устанавливают специальную машину постоянного тока, называемую делителем напряжения.
Все тележки моторных и прицепных вагонов являются двухосными с двойным рессорным подвешиванием. Первая ступень рессорного подвешивания расположена в буксовом узле и называется надбуксовым подвешиванием, а вторая, расположенная в центре тележки,— центральным подвешиванием. В рессорном подвешивании
применены только цилиндрические пружины. Листовые рессоры не применяют, поскольку они обладают значительным внутренним трением между листами. При движении электропоезда возникают высокочастотные колебания, которые не гасятся листовыми рессорами. Эти колебания передаются вагону в виде шума, тряски, вибрации. Цилиндрические же пружины, не имея внутреннего трения, обеспечивают вагону плавный и бесшумный ход. В устройстве тележек предусмотрены и другие дополнительные гасители колебаний.
Колесные пары моторных и прицепных вагонов электропоездов имеют разную конструкцию. Колесная пара моторного вагона, как и на электровозе, состоит из колесных центров, на которые насаживают бандажи. На них имеется также подшипниковый узел редуктора. Колесная пара прицепного вагона состоит только из оси и двух цельнокатаных колес.
На электропоездах ЭР2 и ЭР9П (М, Е) применено рамное подвешивание тяговых двигателей. Тяговый привод односторонний, состоит из большого цилиндрического прямозубого колеса и шестерни, которые заключены в литой корпус, обеспечивающий неизменную централь, и эластичной муфты. Эластичная муфта передает вращающий момент от двигателя к зубчатой передаче и компенсирует несоосность валов двигателя и шестерни, возникающую в результате взаимного перемещения полностью подрессоренного двигателя и неподрессо-ренной колесной пары при движении вагона.
Автоматическая локомотивная сигнализация (АЛСН) и поездной автостоп, \етаповленные в головных вагонах электропоездов, повышают безопасность движения, способствуют повышению пропускной способности
188
железных дорог. Устройства АЛСН допускают проследование желтого огня путевого светофора со скоростью не более 60 км/ч. Когда на локомотивном светофоре горит красный огонь, скорость не должна превышать 20 км/ч. При превышении указанных скоростей движения сработает автостоп и произойдет принудительная остановка электропоезда, предотвратить которую машинист уже не может. Основным прибором автостопа является электропневматический клапан, связывающий электрическую часть с пневматической тормозной системой электропоезда.
Оборудование электропоездов в основном располагают под кузовами вагонов. Под кузовом моторного вагона на электропоезде постоянного тока располагают пусковые реостаты, резисторы ослабления возбуждения, индуктивные шунты, быстродействующий выключатель и др. На крыше устанавливают токоприемник, устройство для защиты от радиопомех, разрядники, опорные изоляторы с соединяющей шиной для параллельной работы токоприемников электропоезда. В лобовой части вагона устроены два шкафа: один для высоковольтных аппаратов (реле ускорения, счетчик, амперметр и др.), другой — для низковольтной аппаратуры.
В головном и прицепном вагонах под кузовом установлены аккумуляторная батарея, мотор-компрессор, генератор управления и другое оборудование. Головной вагон имеет кабину машиниста с аппаратами, необходимыми для управления электропоездом.
В электропоездах ЭР9П(М, Е) также основное оборудование расположено под вагонами, в том числе тяговый трансформатор, сглаживающие реакторы и др. Главный выключатель установлен на крыше моторного вагона.
1Q ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
IZi о ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ
ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ
Тяговые подстанции дорог постоянного и переменного тока значительно различаются по устройству. Однако и те и другие должны отвечать следующим требованиям: обеспечивать надежность электроснабжения локомотивов, быть по возможности несложными, безопасными в обслуживании. Желательно также, чтобы расходы на их монтаж и эксплуатацию были невелики.
Познакомимся с устройством типовой тяговой подстанции постоянного тока (рис. 132). На ней установлено два силовых трансформатора Т1 и Т2 (их может быть и больше). Каждый из трансформаторов соединен со своим выпрямителем В, собранным по трехфазной мостовой схеме. Катоды выпрямителей быстродействующими выключателями БВ и разъединителями Р соединены с шиной «-)- » распределительного устройства РУ постоянного тока. Аноды выпрямителей соединены разъединителями с шиной «—».
Шина «Ж », или, как еще ее называют, главная шина, соединена фидерами с контактной сетью. В фидер для защиты подстанций от коротких замыканий в контактной сети включены быстродействующий выключатель БВ$ и два разъединителя Р$. Отключив эти разъединители, можно производить в безопасных условиях ревизию или осмотр быстродействующего выключателя. Защита от коротких замыканий должна действовать избирательно (селективно)
189
и не отключать контактную сеть в тяжелых рабочих режимах, например при одновременном пуске нескольких единиц электроподвижного состава, резком колебании нагрузок, связанных с перегруппировкой тяговых двигателей.
Фидеров обычно бывает несколько (на рис. 132 показан один). Количество их зависит от числа электрифицированных путей на перегоне, путевого развития станций, наличия депо. Шину «—» (ее еще называют обратной) соединяют с рельсами отсасывающей воздушной или кабельной линией.
Поясним особенности выпрямления переменного тока на тяговых подстанциях. Выше было отмечено, что выпрямленный ток на подстанциях является практически постоянным в отличие от пульсирующего на электровозах переменного тока. Объясняется это 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 двухпериодная схема выпрямления (см. рис. 62, б); по такой же схеме включают и все три фазы вторичной обмотки трансформатора, соединенные «звездой». К обмоткам присоединены шесть групп вентилей, работающих поочередно. При этом обеспечивается шестифазное выпрямление. Кроме того, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в шину «—» включают сглаживающий реактор СР.
Схема рис. 132 упрощена; на ней, например, не показаны запасная шина и запасной БВ, с помощью которых, не прерывая питание, можно заменить любой БВ фидера; не показан также ряд других устройств и аппаратов.
Чтобы еще больше уменьшить колебания выпрямленного напряжения, можно применить параллельную работу двух преобразовательных агрегатов, каждый из которых имеет шестипульсовые схемы выпрямления. Пульсации выпрямленного напряжения каждой установки следуют со сдвигом 360°:6= = 60°. Если искусственно сделать дополнительный сдвиг на 30° при параллельной работе двух выпрямителей, то на выходных линиях подстанции будет выпрямленное напряжение с 12-фазной пульсацией. Отклонение этих колебаний от среднего значения выпрямленного напряжения меньше, чем при шестипульсовой схеме.
Рис. 132. Принципиальная схема тяговой подстанции постоянного тока
Для того чтобы можно было осуществить рекуперацию на электропод-вижном составе, независимо от наличия потребителя на линии устанавливают инверторы или поглощающие устройства на подстанциях. Принцип инвертирования (преобразование постоянного тока в переменный) был рассмотрен применительно к установкам на электроподвижном составе. В отличие от рассмотренного инвертор, расположенный на подстанции, является многофазным: он преобразует постоянное напряжение в трехфазное.
В СССР применяют в основном выпрямительно-инверторные установки, силовая схема которых рассчитана на работу в двух режимах: выпрямления и инвертирования. При наличии такой установки энергия рекуперации передается от тяговой подстанции в систему первичного (внешнего) электроснабжения.
Поглощающие устройства состоят из резисторов. Поглощающие резисторы, в которых энергия рекуперации бесполезно рассеивается, целесообразно применять лишь тогда, когда количество энергии рекуперации, поступающее на подстанции, незначительно, и эта энергия в основном потребляется электровозами, находящимися в тяговом режиме. Это возможно на многопутных электрифицированных участках с интенсивным движением, на которых всегда в зонах питания имеются электровозы, потребляющие энергию.
Однако в некоторые моменты времени на таких участках кратковременно могут отсутствовать электровозы — потребители энергии рекуперации. При отсутствии приемников этой энергии возможны срывы рекуперативного торможения поездов, движущихся с большой скоростью по уклону. Это недопустимо как с точки зрения безопас
190
ности движения, так и вследствие возникновения в таких случаях чрезмерно высокого напряжения, опасного для тяговых двигателей.
Поэтому на тяговых подстанциях устанавливают поглощающие резисторы, служащие резервным приемником энергии рекуперации в указанные моменты времени. Их включение должно производиться безынерционно как только напряжение в контактной сети превысит напряжение на выходе выпрямителя, установленного на подстанции.
На подстанциях дорог переменного тока используют силовые трансформаторы различных типов с разными схемами соединения их обмоток в зависимости от величины нагрузок и условий электроснабжения тяговой подстанции. В случае питания тяговой подстанции от двух линий электропередачи (ЛЭП) первичные обмотки трансформаторов Т1 и Т2 (рис. 133) присоединяют к разным ЛЭП.
В случае необходимости эти обмотки можно подключить к одной и той же ЛЭП, применив перемычку (на рис. 133 перемычка не показана). Две фазы вторичных обмоток трансформаторов, например А к С, соединены с шинами тяговой подстанции.
Шины высоковольтными выключателями ВВ и фидерами соединены с контактными подвесками путей I и II двухпутного участка. Третья фаза (в нашем примере В) соединена с рельсами. Более или менее равномерная нагрузка фаз обеспечивается благодаря подключению контактной подвески I к фазам А и С.
Так же подсоединена контактная подвеска II другого пути. Для предотвращения короткого замыкания между фазами А и С контактные подвески электрически разделены нейтральными вставками.
я ЛЭП
к ЛЭП
Рис. 133. Принципиальная схема тяговой подстанции переменного тока
Тяговые подстанции имеют также трансформаторы для питания собственных нужд (например, освещение, отопление и пр.), трансформаторы напряжения для питания релейной защиты, счетчиков и т. п. Эти присоединения на рис. 132 и 133 не показаны. От тяговых подстанций получают питание устройства железнодорожной сигнализации, связи, автоблокировки.
Электрификация железных дорог одновременно способствует развитию централизованного снабжения электроэнергией промышленных предприятий и сельских районов, прилегающих к электрифицированным линиям.
Для электроснабжения нетяговых потребителей трансформаторы тяговых подстанций дорог переменного тока имеют третью трехфазную обмотку, соединенную с шинами А', В', С'. На тяговых подстанциях дорог постоянного тока устанавливают отдельные трансформаторы ТЗ (см. рис. 132), питающие районные потребители.
Многие тяговые подстанции превратились по существу в районные, нагрузки которых в значительной мере опре
191
деляются нетяговыми потребителями. Электровооруженность труда значительно повышает его производительность, улучшает условия быта и отдыха населения. Важную роль в решении этих задач играет электрификация железных дорог. Кроме того, в районах, через которые проходят электрифицированные железные дороги, оказывается возможным закрыть маломощные транспортные, промышленные и сельские электростанции, что дает значительный экономический эффект.
ТЯГОВАЯ СЕТЬ
Контактная сеть, рельсы, фидеры и отсасывающие линии образуют тяговую сеть железных дорог.
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 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 дорогах их не применяют из-за трудностей, связанных с обеспечением безопасности людей и животных, с защитой от снежных заносов и т. д.
Контактная сеть должна обеспечивать бесперебойный токосъем при наибольших скоростях в любых атмосферных условиях. Практически это означает, что при значительных колебаниях температуры, образовании гололеда, сильном ветре, максимально допустимой скорости движения электроподвиж-ного состава, установленной графиком движения, не должен нарушаться сколь
192
зящий контакт между контактным проводом и токоприемником.
Основным критерием качества механического взаимодействия токоприемника и контактной подвески является степень постоянства контактного нажатия, т. е. нажатия в месте контакта токоприемника и провода в процессе движения электроподвижного состава. Если контактное нажатие близко к постоянному, то, во-первых, не происходит отрывов полоза токоприемника от контактного провода и не создаются тем самым условия для повышенного электрического износа провода и элементов полоза в результате искрения; во-вторых, не происходит заметных повышений контактного нажатия в жестких точках контактной подвески и не создаются условия для повышенного механического износа провода и токосъемных элементов.
Воздушные контактные подвески подразделяют на простые и цепные. Простая контактная подвеска, называемая иногда трамвайной, состоит из контактного провода, подвешенного на опорах к консолям на изоляторах. Контактный провод может занимать почти горизонтальное положение только при какой-то одной температуре. При любой другой температуре 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 магистральных участках железных дорог в СССР, как и за рубежом, применяют цепные подвески, состоящие из контактных проводов и несущих тросов. Это деление в некоторой мере условно. Однако приня-
6*
то к несущим тросам относить провода, основная функция которых — воспринимать механические нагрузки, а к контактным проводам те, основная функция которых проводить ток.
Цепные подвески в свою очередь подразделяют на одинарные и двойные. Цепные подвески 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. Несущий трос, используя изоляторы, крепят к консолям, расположенным на опорах. Положение цепной подвески относительно оси пути задают с помощью фиксаторов. 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. Условия механического взаимодействия токоприемника и контактного провода ухудшаются при увеличении расстояний между соседними струнами, так как в этом случае значительны стрелы провеса контактного провода в межструновых пролетах. Эти стрелы провеса уменьшить практически невозможно, поскольку натяжения проводов уже приняты максимальными, в частности по условиям обеспечения наибольшей ветроустойчивости подвески. По этой причине
Рис. 135. Цепная двойная подвеска
Несущий трос Контактный провой Ось пути
Рис. 136. Расположение цепной контактной подвески в плане
7—3543
193
Рис. 137. Полукомпенсированная цепная контактная подвеска
-... Беспровесное положение
-----Положение провоЗов при положительном провеое
------То же при отрицательном провесе
Рис. 138. Изменение стрелы провеса полукомпен-сированной цепной подвески в зависимости от температуры
Рис. 139. Анкерный участок
единственным путем снижения межструновых стрел провеса остается сближение струн до экономически целесообразных пределов. На отечественных железных дорогах расстояние между соседними струнами в средней части пролета обычно составляет 7—9 м. В подвесках с двумя контактными проводами при шахматном расположении струн (струны разных контактных проводов смещены друг относительно друга) расстояние между ними уменьшено до 4—6 м.
В плане на прямых участках пути контактные провода располагают зигзагообразно относительно оси пути. Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников. Зигзаг устанавливают в соответствии с длиной рабочей части токоприемника. На дорогах Советского Союза зигзаг составляет 0,3 м в каждую сторону. Зигзаг контактному проводу придают фиксаторами, размещаемыми 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 к воздействию ветра и позволяет применять большие пролеты. Однако монтаж ее сложнее.
В проводах контактной подвески необходимо поддерживать определенное натяжение, чтобы обеспечить минимальные стрелы провеса контактного провода. На электрифицированных железных дорогах применяют полукомпен-сированные и компенсированные кон-
194
тактные подвески, различающиеся способом натяжения проводов.
В полукомпенсированной цепной подвеске с помощью грузовых компенсаторов (рис. 137) обеспечивают натяжение только контактного провода. Вследствие этого отдельные точки контактного провода перемещаются вдоль пути при изменениях окружающей температуры и тем больше, чем ближе точка находится к компенсатору. В полукомпенсированной подвеске несущий трос закреплен на опоре жестко и 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,, что значительно снижает качество токосъема. Учитывая это, в полукомпенсированной подвеске натяжение контактного провода регулируют так, чтобы он занимал беспро-весное положение при температуре не среднегодовой, а ниже ее на 10—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 подвесках состоит из груза и нескольких блоков, через которые его с помощью троса присоединяют к проводам. Чтобы можно было включить грузовые компенсаторы в провод контактной подвески, последнюю разбивают на отдельные участки, механически не связанные друг с другом (рис. 139), называемые анкерными. Длина анкерного участка составляет около 1600 м на прямых отрезках пути.
Рис. 140. Средняя анкеровка
В полукомпенсированной или компенсированной подвеске не исключена вероятность того, что по какой-либо причине контактный провод в случае температурных изменений 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 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 ветвью средней анкеровки. В случае обрыва контактного провода (предположим, в точке б) выходит из строя только половина анкерного участка. Среднюю анкеровку компенсированной подвески устроить сложнее, так как ее необходимо выполнить и для контактного провода, и для несущего троса.
Чтобы обеспечить плавный переход полоза токоприемника с контактного провода одного анкерного участка на смежный без нарушения скользящего контакта и снижения установленной скорости движения, устраивают так называемые сопряжения анкерных участков. Рассмотрим такое сопряжение (рис. 141). Между анкерными опорами 1 и 4 расположены две переходные
7*
195
опоры 2 и 3, на которых подвешены контактные подвески сопрягаемых анкерных участков / 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, соответственно укорачивая струны. 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 участков с различными по фазе напряжениями, применяют нейтральные вставки (рис. 142).
Нейтральной вставкой называют участок контактной подвески, на котором в нормальных условиях нет напряжения. Нейтральные вставки на дорогах постоянного тока устраивают в тех случаях, когда габаритные размеры какого-либо искусственного сооружения не позволяют подвесить контактный провод, находящийся под напряжением, без нарушения минимального расстояния до ближайших заземленных частей.
Нейтральную вставку выполняют, монтируя дополнительную контактную подвеску I, которая вместе с подвесками смежных анкерных участков I и II образует 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
Рис. 141. Сопряжение анкерных участков
196
3
Рис. 142. Нейтральная вставка
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 и 3 в зависимости от того, в какую сторону он должен двигаться. Чтобы машинист знал, где нужно отключить и снова включить тяговые двигатели, устанавливают предупредительные сигнальные знаки.
Для обеспечения нормальной работы электрифицированных железных дорог большое значение имеет выбор электрического сопротивления контактной подвески. Напомним, что номинальное напряжение в ней на дорогах переменного тока составляет 25 кВ и постоянного тока — 3 кВ. Все тяговые и другие расчеты производят исходя из этих значений. На шинах тяговых подстанций напряжение на 10% выше номинального для компенсации падения напряжения и составляет 27,5 кВ для дорог переменного тока и 3,3 кВ на дорогах постоянного тока при номинальной нагрузке.
Однако резкие изменения нагрузок в тяговой сети вызывают значительные
197
колебания напряжения. При понижении напряжения снижается скорость движения поездов, вследствие чего уменьшается пропускная способность дорог. Поэтому Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР установлен уровень напряжения на токоприемнике электровозов на любом участке: не менее 21 кВ при переменном токе и 2,7 кВ при постоянном. Электрическое сопротивление контактной сети должно быть выбрано таким, чтобы эти требования удовлетворялись. При этом учитывают также сопротивление рельсовой сети, питающих и отсасывающих линий.
Контактные провода изготовляют из меди, обладающей большой проводимостью. Наибольшее распространение получили контактные провода марки МФ (медный, фасонный). Фасонными их называют из-за двух продольных пазов (рис. 143), 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 серд-
Рис, 143. Сечение контактного провода	Рис. 144. Схема установки дроссель-трансформатора
цевину, покрытую тонким слоем меди. Площадь сечения 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 вынуждены подвешивать два контактных провода, располагая их рядом; кроме того, дополняют подвеску усиливающими проводами.
Рельсовая сеть служит вторым проводом тяговой сети. На железных дорогах используют рельсы типов Р50, Р65 и Р75 (цифры указывают массу в килограммах 1 м рельса).
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, устанавливая дроссель-трансформаторы, навы-
198
ваемые также путевыми дросселями (рис. 144), с обеих сторон каждого изолированного стыка. Средние точки их соединяют.
Для срабатывания устройств автоблокировки необходимо, чтобы сигнальный ток прошел из одной рельсовой нити в другую, отделенную изолированным стыком. Обмотки дроссель-трансформа-торов обладают большим индуктивным сопротивлением, что практически делает невозможным прохождение через них сигнального переменного тока. В последнее время в устройствах автоблокировки на дорогах переменного тока применяют ток частотой 25 Гц, а на дорогах постоянного тока — частотой 50 Гц. Это предотвращает ложное срабатывание сигналов автоблокировки.
Переменный или постоянный тяговый ток /т свободно проходит через обмотки дроссель-трансформаторов в перемычку между их средними точками, так как тяговые токи в каждой половине обмотки направлены встречно, вследствие чего магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно уничтожаются.
ЗАЩИТНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Защитные заземления предотвращают возможность попадания человека под напряжение (поражение током), что возможно в случае повреждения изоляции электрического оборудования или соприкосновения с оборванными проводами. Эти заземления — одно из
важнейших средств обеспечения безопасности людей, которые при проведении работ могут случайно оказаться в опасной зоне.
Защитному заземлению подлежат все металлические наружные части и каркасы электротехнического оборудования, расположенного на территории подстанций, опоры контактной сети, металлические сооружения на железнодорожных линиях (например, мосты, путепроводы, светофоры).
В нормальных условиях работы доступные людям части этих устройств под напряжением не находятся. В случае нарушения изоляции электротехнического устройства внешние металлические части его оказываются под напряжением источника питания U (рис. 145, а). При отсутствии защитного заземления может произойти поражение током человека, попавшего под напряжение в момент прикосновения к поврежденной установке — так называемое напряжение прикосновения [/пр. Поражение током может произойти и в случае передвижения вблизи опасной зоны: на человека действует так называемое шаговое напряжение иш.
Когда напряжение попадает на наружные металлические части установки, по ним проходит ток, стекающий далее в землю. Площадь сечения массива земли, по которому идет ток, быстро увеличивается по мере удаления от места повреждения, а плотность тока резко падает. Вследствие этого падение напряжения и уменьшается в соответствии с кривой, изображенной на рис. 145, а; на определенном расстоянии (в точке В) оно не обнаруживается сколько-нибудь ощутимо.
Защитное заземление позволяет снизить до безопасного значения шаговое напряжение и напряжение прикосновения. При этом нормируется напряжение прикосновения, приложенное между ру
кой и ногами человека. Его допустимое значение существенно меньше, так как в этом случае ток протекает через область сердца.
На человека, коснувшегося незазем-ленной поврежденной установки, действует напряжение С/Пр, равное разности ординат АА' и XX'. В случае прикосновения к заземленному оборудованию это напряжение значительно меньше: оно равно разности ординат аа' и хх' (рис. 145, б), поскольку установка находится под напряжением U3<^. U. Значение U3 тем меньше, чем меньше сопротивление устройства заземления.
Устройства заземления, или заземлители, служат для создания надежного пути тока с металлических наружных частей оборудования на землю в случае попадания их под напряжение. Главной частью заземляющего устройства является искусственный заземлитель, выполненный из проводника, обычно стального. По возможности используют и естественные заземлители — рельсы, водопроводные и металлические коммуникации и т. д.
Устройства заземления различаются в зависимости от объекта защиты (подстанции или сооружения на железнодорожных линиях), а также от рода тока — постоянный или переменный.
Рис. 145. Распределение напряжения вблизи места короткого замыкания при отсутствии (а) и наличии (б) заземлителя
199
В качестве заземлителей на подстанциях переменного тока используют: искусственный заземлитель, называемый иначе контуром заземления подстанции, охватывающий практически всю территорию тяговой подстанции; рельсы подъездных либо главных путей станции или перегона, проходящие вблизи нее; другие металлические коммуникации.
Контур заземления подстанции выполняют в виде сетки из стальных полос или круглой стали и размещают недалеко от поверхности земли. При больших удельных сопротивлениях земли (песок) сетку дополняют специальными вертикальными элементами в виде труб или уголков длиной 3—5 м, привариваемых к ней по периметру. Если же и при этом не обеспечивается нормируемое значение напряжения прикосновения [С/Пр], сооружают выносные заземлители в виде вводимых глубоко в землю труб или же применяют на подстанции плохо проводящие искусственные покрытия (щебень, галька). Присоединения заземляющих проводников к оборудованию выполняются видимыми, преимущественно сварными или болтовыми. Каждый заземляющий элемент присоединяют к контуру заземления подстанции отдельным проводом.
Защитное заземление подстанции переменного тока одновременно является и рабочим, т. е. используется при нормальной эксплуатации оборудования. Примером рабочего заземления является преднамеренное соединение с землей нейтралей трансформаторов, что позволяет снизить уровень сопротивления изоляции силовых трансформаторов и сделать их более дешевыми. Заземления тяговых подстанций постоянного тока выполняют аналогично с той лишь разницей, что заземляющее устройство не используется в качестве рабочего, так как в этом случае ток, стекающий
с контура заземления подстанций, будет вызывать его интенсивную коррозию. Аварийное подсоединение контура осуществляется в момент короткого замыкания в цепях 3 кВ выпрямленного тока через специальное реле земляной защиты.
Оборудование, расположенное в закрытой части подстанции постоянного тока, заземляют на два отдельных контура — переменного и постоянного тока. Эти контуры соединены с контуром заземления открытой территории подстанции.
Заземлителями опор контактной сети и других металлических сооружений на железнодорожных путях служат рельсы.
Заземления опор контактной сети могут быть индивидуальными и групповыми. Индивидуальные заземления выполняют из стального провода. Группо-вые заземления выполняют общим тросом для нескольких опор, расположенных на перегонах, установленных на пассажирских платформах или за ними, в горловинах станций и у воздушных промежутков, в зоне секционных разъединителей с моторными приводами дистанционного управления. Заземляющий провод присоединяют к рельсу или средней точке дроссель-трансформатора.
В наиболее ответственных случаях для большей надежности устанавливают двойные заземления. Двойным заземлением присоединяют к тяговым рельсам опоры контактной сети, расположенные у посадочных платформ, мест посадки и высадки пассажиров, где не имеется посадочных платформ, переездов и переходов, мест систематической погрузки и выгрузки грузов. Двойным заземлением также соединяют с рельсом опоры с разрядниками, секционными разъединителями, провода групповых заземлений, металлические
200
мосты, путепроводы, пешеходные и сигнальные мостики независимо от места их расположения.
Если не принять соответствующих мер, то заземляющие провода будут способствовать прохождению тягового тока из рельсов в землю, т. е. образованию блуждающих токов (см. с. 205). Чтобы избежать этого, заземляющие провода покрывают лаком. Между опорой и рельсом их прокладывают на полушпалах. Кроме того, в необходимых случаях для предотвращения электрокоррозии фундаментов опор в заземляющие провода включают так называемые искровые промежутки.
Нормально искровой промежуток электрически изолирует опору от рельсов. Он выполнен из двух-трех изолирующих слюдяных прокладок, размещаемых между двумя электродами, из которых один соединен с заземляющим проводом, другой — с заземляемой конструкцией. Пробивное напряжение искрового промежутка должно быть 800— 1200 В. Если произойдет перекрытие изолятора контактной сети, его пробой или случайное соприкосновение токоведущих частей контактной сети и металлической конструкции, напряжение на электродах искрового промежутка возрастет, он пробьется и конструкция заземлится на рельс. В результате сопротивление в цепи короткого замыкания контактной сети резко снизится, ток возрастет и на тяговой подстанции сработает соответствующая защита, отключив поврежденный участок контактной сети.
Обычно применяют искровые промежутки многократного действия. Устанавливают их на опорах и других конструкциях, подлежащих заземлению. Выбор места для них определяется сопротивлением заземления опор, значением положительного потенциала в зоне между рельсом и землей там, где нахо
201
дится опора. Искровые промежутки не устанавливают на опорах, на которых расположены приводы секционных разъединителей, а также на опорах, находящихся в общедоступных местах (пассажирские платформы и др.).
Чтобы предотвратить возникновение блуждающих токов в случае применения групповых заземлений, созданы специальные защиты. В нормальном режиме при таких защитах групповые заземлители отключены от рельсовой сети и, следовательно, цепь опора — рельс разорвана.
СЕКЦИОНИРОВАНИЕ И ПИТАНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Для обеспечения надежной работы контактной сети и удобства обслуживания ее делят на отдельные участки — секции, электрически не связанные друг с другом. При этом соблюдают следующие условия: 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.
На перегонах контактную сеть делят на секции воздушными промежутками, нейтральными вставками, на путях станций врезают в провода контактной подвески специальные секционные изоляторы, причем так, чтобы обеспечить беспрепятственный проход по ним токоприемников. Принятую схему секционирования для нормальных условий можно изменять в зависимости от аварийных ситуаций, включая или выключая секционные разъединители. Переключают секционные разъединители вруч-
(fa Разъединитель с моторным придодом нормально дключенный
©Разъединитель с моторным придодом нормально отключенный
Сопряжение с нейтральной дстадкой
Сопряжение анкерных участкод
Рис. 146. Схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутного участка
ную или с помощью приводов, которыми управляют дистанционно.
На рис. 146 приведена для примера схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутного участка переменного тока. От тяговой подстанции по шести питающим линиям (фидеры Ф1—Ф6) напряжение подводится к шести различным секциям контактной сети перегонов и главных путей станции. Каждый фидер может быть включен или отключен в обесточенном состоянии секционными разъединителями с моторными приводами. На дорогах переменного тока секции контактной сети перегона подключают к разным фазам в определенной очередности, что способствует выравнива-
Рис. 147. Двухстороннее питание участка контактной сети с постом секционирования ,
202
нию нагрузок отдельных фаз. Это необходимо, так как асимметрия нагрузок вызывает асимметрию напряжений, ухудшающую условия работы присоединенных к той же линии электропередачи потребителей.
В случае выхода из работы какого-либо фидера, например ФЗ или Ф4, напряжение в контактную сеть главных путей станции подают, включая продольные разъединители В и Г, отключенные при нормальной схеме питания. Если по какой-либо причине электровоз остановится под нейтральной вставкой, то напряжение на нее можно подать, включив продольные разъединители А или Б. Временно можно подавать напряжение в контактную сеть разных секций от одного и того же фидера Ф1 или Ф2, включив поперечный разъединитель П. Возможны и другие схемы аварийного питания контактной сети.
Как правило, участок контактной сети получает питание от двух тяговых подстанций ТП1 и ТП2 — двухстороннее питание (рис. 147). При этом уменьшаются потери напряжения и энергии в контактной сети и увеличивается надежность электроснабжения каждого участка. Вполне понятно, что при двухстороннем питании контактная сеть участка переменного тока с обеих сторон должна быть подключена к одной и той же фазе.
Рис. 148. Схема стыкования контактной сети участков постоянного и переменного тока
Тяговые подстанции дорог постоянного тока располагают через 12—20 км одну от другой, а на дорогах переменного тока — через 40—50 км.
Для повышения надежности контактной сети, удобства ее обслуживания при эксплуатации и уменьшения потерь напряжения устраивают так называемые посты секционирования. В месте установки поста секционирования контактная сеть каждого пути, например двухпутного участка, разделена (секционирована) воздушными промежутками. Секции контактной сети соединяют масляными выключателями на дорогах переменного тока или быстродействующими на дорогах постоянного тока через общую шину поста Ш. Тогда ток Д= /1+ /2+ /з+ А проходит к электровозу по четырем участкам контактной сети. Если возникнет короткое замыкание, например, в точке к, отключаются быстродействующие выключатели 7 тяговой подстанции ТП2 и 6 поста секционирования: без напряжения остается участок контактной сети бв. При отсутствии поста секционирования одновременно с отключением быстродействующего выключателя 7 отключился бы и выключатель 2 подстанции ТП1, т. е. был бы отключен более длинный участок контактной сети ав.
Несколько отличаются от рассмотренных схемы питания и секциони
203
рования контактной сети станций стыкования, к которым с разных сторон подходят линии, электрифицированные одна на постоянном, другая на переменном токе. В контактной сети таких станций выделяют необходимое число секций, в которые можно подавать напряжение как постоянного, так и переменного тока (рис. 148). Секции переключают на постоянный или переменный ток одновременно с приготовлением маршрута следования поезда (перевод стрелок и включение соответствующих сигналов). В СССР разработана и внедрена специальная автоматическая система МРЦ (маршрутно-релейная централизация), не допускающая попадания локомотивов постоянного тока под переменное напряжение в контактной сети и наоборот.
При наличии электровозов двойного питания необходимость в станциях стыкования отпадает.
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2X25 КВ
Дальнейший рост грузонапряженности железных дорог, повышение массы поездов до 10 тыс. т, внедрение многократной тяги мощными электровозами создают трудности в электроснабжении и при переменном токе напряжением 25 кВ. Самым радикальным способом
sot
ИХЭЭ ИОНХМВХНОМ И.1.ЭОН(1В1"О1! ИОНЧ1ГЭХИЖО1ГОЦ Hdu ное ХЯНГОХВЯ И ХИНЯОНВ ЭИНЭЖО1ГО11ЭЕ<1 061 'эис1
оное ио один у
оме иондошоц
оное ион до ну
'////./7///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////л
хх\ ///
/////////////>^аМ/////////////////////	I ////////////////)^d/////////////////
итношодои подогу
ипОношодои eogo?.ni
иин
-эжЛдооэ хиниаейои хиТпве хнньиеевс! ошнэнаииёи м один- ‘аомох хиТпонПГ -жХгд сиинэгпянэиЛ м вэхвйоаэ aiqd -Охом ‘iqdew эиньигевд хснвиинисШ иэ -иЕоддомодхмэи-е о iqgqdog вШГ оннэи -adaoHVQ -ихэз noflooqirad Birtf ввняи-эх -BTiHdxo и ихээ ионхмвхном Bir'tf яхэон -dBirou ввнаи-эхижовои BXBHHdu сЮЭЭ я Лиохеоц 'HHEoddoModxMdire хо ХхиТпве яхиахээТпХэо HaH'tfXdx эвнХц-э иохе я ombhITq ’ошхэонаиэнэхни иотчгодэн э Хм -хэвьХ лиээя он — OHdawoHflBd aairog в ‘HXOOHdBITOU ИОНЯ1ГЭХИЖО1ГОЦ Hdu мвя ‘ЭХЭЭИ WOHITO Я ЭН XHVOXOHodu иинэж -Xdooo хнниэЕйои 3HH3mXdEBd и вявхэ -оэ ojCH^HatfonodxMBire BHHdlnewadau edew ou BOxeBTnewedeu bhoe bbhVohb bitjoj. ’qxeoHdBBOu снХняи-эхвйидхо хээии яхээ ввнхмвхном охь ‘иихэХио'и
ХВХЭОИ
вн BHHeiruedMo aiqaooqirad и iqoqired эж -мвх BexoiBmXdEBd иевяэ ИЕэдвя вэхошй ^edaou aadxoiqg atng -bVoj g Eedeu hwhh -goooueoxogBdaH яэигияонвхэ HHsoddoM -odxMeve эиахэЯэи-эа iq'tfoaoduogXdx энн -qirBxo bITjom ‘HBhXiro яэигв'Е'ствдвн ‘dew -HduBjj[ 'ионаиэнэхни янзьо qxiqg хзжок BHEoddoModxMeirg -omeoddo-uodiyave — вшгвхэи OHHomXdsBd хаванена xbhoe хмиТОнв я ourweE я иинзжXdooэ хнниэе -irou химэзьитевхзи eh bmox Voxadajj
mm
-рот —‘ошкэе я иинзжXdooэ Э ХО1ВМЗХЭ ино э1Гх ‘имхэвьХ эх в ‘nwmoe nwnHQoi -т хошянввн ‘винэжлdooэ eiaHweEVou эимээьидавхэи я и визе ей XBlToxedau имох эи'тош’п'жХи-д eVx ‘(иное) имхэвьХ ej, iqoqrad я B3xoiBliiBdflEOfl яяона Woflodu эиТпошяпэвэхо iqH9HHtfao3Hdu wB3qirad м eVJ ‘wbx ‘ии'пнвхэ'Сои хняоэвх овомо кэхве и wвинэжXdooэ иихе ou xaVoxodu имох эняохвх ‘(ивэдвм ‘HirofloduogXdx ‘dewHduBH) винэжXdooэ эимээьиигвх -aw ajqHnaE'tfou ннэжоих^и HJodoV ион -еэп’эж внхоп’ои и£и[гдя etfx ‘хвхээн д mvn’momptKfivg хаванввн хи Xйеной ‘он -хвноц ’Hooqirad хнаохвх хо aodxawou-HM аОМХВЭЭ'П’ ХИМЯГОМЭЭН HHHBOXOOBd ВН ИИ -BHHedewsH qэиIГвяижXdвнgo имох эимвх bVjohj4 -eirwes ou XHVoxodu вмох яхэвь ‘эхэв1пгвд вн хиТпвжэи- ‘хвтеит вн HHeirUadMBE В ‘ИВИЭВ ХО HHBflOdHirOEH эн HMoehHdxMeire iqoqired мвм mbj, 'иийнвхэ -Vou эиТпаХахэхэахооэ вн BexoiB'mBdflEoa HBVosodu ииГпо!вямэвэхо и wBoqired ou иэхве ‘BEoaodxM9L”6 инэП аХнягэх -вхоиоиэа и сиХаотгиэ sedan ихээ ион -хмвхном WBlToaodii ou XBiroxodu иийнвхэ -йои хняохвх хо имо1 ’(OSI ’°Hd) яхэон -dBirou аХнн1гэхижо1гои хаэии вмох оюн -HBOX3OU XBJOdO'tf Х1ЧНЕЭ1ГЭЖ XHHHBflOdHU -H({)HdxMeire вн Btfoflodu эинхмвхно>1
ИМОХ ЭИГПСНУ&'ЖЛи'д
иквийнвхэ -tfou икнаохвх икин'Сээоэ Хйжэк эин -воюэвс! чхвяиьивэяХ ОНЧ1ГВКИЭМВК ОК -иЯохдоэн ‘чхэоннэ1гээвно1гвк ввянхиьХ ‘xiadoiOM вн ‘вэдуд яомхэвьХ xHKaXd -HTiHcfjHdiMaire Birtf вняихмэффе оннэдоэо чичр хэжок вкэхэиэ ввмвд ’км 08 —0Z Ч1ИЯВ1ЭОЭ ХЭЖОК иквийнвхэйои икинжэкэ Хйжэк aHHBOiooBd дм ggXg экэхэиэ я охь ‘hitbebmou нхэьэвд
иинвхии KaHHodoxoxXatf Hdu этчнэк эта вэхвя -онвхэ hhq 'вэхавтчнэкХ ончгэхиьвне винэж1^ивн udaiou aiBiairXEad д
этчЕод aoatfa имин Х'Сжэк эинэжвduвн мвм мвх ‘7S2‘0 HHHHBd ‘мох — 7 и и KBtfoaodu ou в *7S‘O мох iHtfoxodu ихээ иояохвх м хин ей охойжвм хо ох ‘иквdolвкdoфэнвdl -охяв Х'п'жэк вмхэвьХ OHHtfadao я boihV -охвн EoaodiMoire игэд -XEoaodiMaire м вэхийОяйои оно ихээ иояохвх оц дм gg otf эинэжвduвн хствжинои awdoioM ‘Z1V и ц у квdolвкdoфэнвdlolяв м BOiaBtfadau \/ и ц KBtfoflodu ou gjr edoi -вкdoфэнвdl охояохвх 10 ‘ии^охви^оф -OHBdxoiHB BKXatf Х'п'жэк вэохэТпв'е'охвн ‘BEOflodiMare винвхии Bir'tf BHxdaHg g ииTlвкdoфэнвdl кохнэийиффеом э (вdolвиdoфэнвdl BHtf ohbebmou оняогэХ 6H -ond вн) - ziV ‘llV HdoiEwdocj) -OHBdioiHB 1О1вяи1гявнв1эХ BiXd'tf 10 iXdtf KM 01 OtfOMO HHHBOlOOBd ВН KBEOflodl -мэве м HHidaHeodiMaire HhBtfadau Btf'ff
'	"9й 53 1ЭВ1Г8ВХЭ0Э э J. ‘чдэюи эиахэ
-Гэиэя этчнэи %0J вн эинэжвйивн И1ЭЭ ионхивх -ном а охь ‘хогехиьэ ‘ихэонч1гэхиахэиэ1! д
дм gg эинэжвduвн хаэки 7 и и Btfoflodu (эгкэе м) KB04irad м аинэтоню ou он ‘дм OS ювтавхэ -оэ эинэжвduвн Kotfoflodu кипкнвхии и КНН1МВ1Н0М Х'п'жэк ‘OHHiraiBHOtfaiQ
•7 Xtfoflodu Xkohimbihom м — go I4tfofli4fl Xtfoflodu XkoUioibihu Xkoh -uiraiHHirouotf м ннэьонгмХГои /о Htfofliug 'WBOHtfad КЯЯ01В1 M HHOHHtfaOOHdu имьох эитдо хи в ‘ончгэхвяоТГэгэои ннэниТГэоэ имюкро *дм g‘Zg OHHBd ‘вмох охоннэк -adau xodotf hhUhbioVou вн и мвм ‘хин ей ИО'Е'ЖВМ эинэжвduвн Э0НЧ1ГВНИК0Н ;иквмхокдо HKHHhHdoiH вкХя1Г э g^ и ц Iчdolвкdoфэнвdl эняохвх хавяигявн -ВХЭХ (6tl ’OHd) HHTlHBlOtfOU иояохвх вн кохе ndjj -дм gg Xg винaждвнэodlмaIr€ BiHBHdBa 4iooHflHiMauodau огиявня вм -ох 0J0HH3K3d3u нкэхэиэ винвяояхэнэт -dafloo иэхли хннжоквоя эинэьХеи
•axoiiodioX XI4HHB0100U xiudoxoMBH oiHUMXdiOHOMad ‘floeoflodiMaire хняон он -HirBHUHUHHdu XMHodxoou ‘иийвтоеи эин -aiffloX вн HKBiBdiBE икннчквхиивм ик -итчгод э онвевяэ охе он ‘ихээ ионхмвх -ном я винэжвduвн эинэтняои 1чд опччд ‘чэоввьэкхо эжХ мвм ‘хвияогэХ химвх я иини1г XHHHBflodHn^HdiMaire винэвиэХ
дм 53X3
эиэхэиэ он вмхэвьл охоннваоаиПифидхмэх'б винэждвнэодхмэте виэхэ ивнчгеициПнидд gfi -эид
На электрифицированных дорогах переменного тока подземные сооружения подвергаются электрокоррозии в значительно меньшей степени, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется тем, что переменный ток частотой 50 Гц меняет свое направление 100 раз в 1 с. Соответственно в 100 раз уменьшается опасность электрокоррозии при равной плотности переменного и постоянного тока стекания.
МЕШАЮЩЕЕ
ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯГОВОГО ТОКА НА ЛИНИИ СВЯЗИ
Нормальная работа железных дорог невозможна без устройств связи различного назначения. Для управления движением поездов применяется связь магистральная, местная, дорожная и другие ее виды. Кроме того, имеется участковая связь, поездная и диспетчерская, поездная межстанционная, подстанционная и другие виды связи. Вдоль железных дорог проложены провода воздушных линий связи, а также провода связи, не имеющие отношения к железным дорогам.
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, наводит в них пульсирующие электродвижущие силы, которые вызывают пульсирующий переменный ток. В результате ухудшается, например, слышимость при телефонной связи, искажаются передаваемые сигналы.
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. Пульсирующую часть выпрямленного тока можно представить состоящей из ряда синусоидально изменяющихся токов различной частоты. Основная частота пульсаций при шестифазном выпрямлении будет 50-6=300 Гц. Чтобы снизить пульсации, на тяговых подстанциях устанавливают электрические фильтры (см. рис. 132), состоящие из сглаживающего реактора и параллельно включенных резонансных LC-контуров, настроенных на частоты 300, 600, 900, 1200 и 1500 Гц, которые оказывают наибольшее влияние на линии связи.
Индуктивность L и емкость С каждого контура подобраны таким образом, что сопротивление его для тока данной частоты очень мало. Поэтому переменный ток данной частоты замыкается в контуре фильтра и не выходит за пределы подстанции. Постоянная составляющая пульсирующего тока, наоборот, не проходит через резонансные контуры, так как конденсаторы оказывают ей бесконечно большое сопротивление.
На дорогах переменного тока воздушные линии связи защитить от мешающего воздействия переменного магнитного поля, создаваемого тяговым током, невозможно. Поэтому применяют только кабельные линии связи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы с вами закончили рассмотрение принципа действия и устройства основных узлов электровозов постоянного и переменного тока. В заключение следует еще раз подчеркнуть, что освоение возрастающих объемов перевозок требует выхода на новые рубежи технического перевооружения железнодорожного транспорта. Основным направлением в достижении этой цели является продолжение электрификации магистральных направлений, рост доли электрической тяги в перевозочной работе.
На железных дорогах СССР эксплуатируются современные электровозы постоянного и переменного тока различных типов. Для электрифицированных линий постоянного тока поставляются восьмиосные электровозы ВЛ10у, оборудованные устройствами рекуперации. Впервые в мировой практике на серийных электровозах переменного тока ВЛ80р было осуществлено рекуперативное торможение. Электровозы постоянного тока ВЛ 11 и переменного тока ВЛ80с могут работать по системе многих единиц, обеспечивая вождение поездов массой до 10 000 т. Применение системы многих единиц позволяет, увеличив массу поезда, сократить размеры движения и, следовательно, увеличить пропускную способность на грузонапряженных направлениях.
Серийно выпускаемым электровозам ВЛ80с, ВЛ80р, ВЛ 11, обладающим высокими технико-экономическими пока
зателями, присвоен государственный Знак качества.
Для вождения тяжеловесных поездов (6000—8000 т в настоящее время и 10 000—16 000 т в недалеком будущем) требуются 12- и 16-осные электровозы, которые формируются из секций, работающих по системе многих единиц.
В ближайшее время на железных дорогах страны появятся 12-осные электровозы постоянного тока ВЛ 15 и переменного тока ВЛ85, не имеющие аналогов по мощности в мировой практике. На этих локомотивах предусмотрено автоматическое управление в режиме рекуперации.
Электровоз ВЛ85 планируется выпускать в двух исполнениях: для умеренного климата и для работы в условиях низких температур до —60° С. Последние поведут тяжеловесные составы по Байкало-Амурской магистрали, рабочее движение на которой открыто в 1984 г. Здесь перспективной является электрификация на переменном токе по системе 2X25 кВ. Такая система обладает рядом преимуществ по сравнению с системой 25 кВ и, в частности, дает возможность значительно увеличить расстояния между подстанциями, что играет немаловажную роль для малонаселенных районов.
Высокий научно-технический и производственный уровень отечественного локомотивостроения позволил советским электровозам выйти на международный рынок. Так, в Финляндию
207
была поставлена крупная партия четырехосных электровозов Sri переменного тока 25 кВ, 50 Гц с реостатным торможением и плавным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Осуществляются поставки двухсекционного восьмиосного электровоза постоянного тока ЭТ-42 в Польскую Народную Республику.
Страны — члены СЭВ оказывают друг другу значительную помощь в развитии и реконструкции транспорта. Электровозы с маркой «Шкода» широко известны в нашей стране. За годы сотрудничества с советскими железными дорогами чехословацкие машиностроители поставили нам свыше 2 тыс. локомотивов серии ЧС. С 1985 г. начата поставка восьмиосных двухсекционных электровозов постоянного тока ЧС7 (мощность длительного режима 6160 кВт) и переменного тока ЧС8 (7200 кВт). Конструкционная скорость локомотивов—160 км/ч. Электровозы имеют реостатное торможение. В будущем такие электровозы постепенно заменят локомотивы ЧС2, ЧС4, ВЛ60пк и др.
В опытной эксплуатации находятся высокоскоростные электровозы постоянного тока ЧС200, развивающие скорость 200 км/ч. На них применено реостатное торможение и осуществляется плавное регулирование напряжения в этом режиме.
Важнейшим направлением в развитии локомотивостроения является создание и широкое внедрение надежных полупроводниковых преобразователей и бесконтактных систем для их управления.
Во многом благодаря их применению оказались возможны успехи, достигнутые на современных серийных электровозах ВЛ 11, ВЛ80с, ВЛ80р и электровозах ВЛ85 и ВЛ 15, выпуск
208
которых планируется в двенадцатой пятилетке.
Однако это начало пути. С внедрением полупроводниковых преобразователей связано появление качественно новых опытных электровозов с независимым возбуждением коллекторных двигателей, автоматическим регулированием сил тяги и торможения. Разработаны бесконтактные схемы силовых цепей и цепей управления, в которых не производятся перегруппировки двигателей, нет групповых переключателей, контакторов.
На основе тиристорных преобразователей успешно решается проблема применения бесколлекторных тяговых двигателей, которая приобретает особую актуальность для перспективных грузовых электровозов с мощностью каждого двигателя более 1000 кВт. В СССР построены опытные электровозы переменного тока ВЛ80в и ВЛ80а соответственно с вентильными и асинхронными двигателями, подтвердившие возможность практического применения этих систем. Следующим этапом в развитии асинхронного привода явилось совместное создание с финской фирмой «Стрёмберг» опытного электровоза ВЛ86Ф мощностью 11 400 кВт.
 Тяговый привод электровозов, имеющих дополнительное звено — полупроводниковые преобразователи, не связан непосредственно с контактной сетью. Это обстоятельство открывает широкие перспективы оптимизации массогабаритных и энергетических показателей двух независимых систем — электровоза и устройств электроснабжения.
Уровень унификации механической части электровозов двух систем токов достаточно высок — в первую очередь, единая двухосная тележка. После тщательного опробования на опытных электровозах предполагается внедрить также единую систему передачи с рамным
подвешиванием тягового двигателя. Начата унификация вспомогательных машин. Применение полупроводниковых преобразователей открыло перспективу создания единого унифицированного тягового привода как постоянного, так и переменного тока на базе бесколлек-торных двигателей. Разница будет только в наличии выпрямителя и силового трансформатора на электровозе переменного тока.
Таким образом, электровозы будущего — это автоматизированное транспортное средство, имеющее практически единую конструкцию для сети дорог, электрифицированных как на постоянном, так и на переменном токе.
Многие полигоны железнодорожной сети имеют уже предельную загрузку. Для того чтобы поднять скорости и обеспечить требования безопасности движения, нужны кардинальные ре
шения. Стало экономически целесообразным строительство скоростных трасс специально для пассажирского движения. Скорость 300 ьм ч и более — не предел для таких линий.
Высокоскоростная магистраль соединит Центр страны с Югом. Расстояние от Москвы до Крыма можно будет преодолеть всего за 5 ч. Остаются традиционные колеса и рельсовый путь, однако устройство пути, электроснабжения, подвижной состав должны быть качественно иными. Управление подвижным составом и движение на трассе будут полностью автоматизированы. Автоматически будут выбираться режимы ведения поездов, выявляться все неисправности в пути следования. Последние достижения научно-технического прогресса найдут широкое применение на железнодорожном транспорте.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ И ТЕРМИНОВ
Анкерный участок — механически не связанный с другими участок контактной подвески, в ко торой требуемое натяжение проводов создается грузовыми компенсаторами.
Асинхронный расщепитель — электрическая машина, преобразующая однофазное переменное напряжение в трехфазное.
Боксование — состояние локомотива, при котором одно (или несколько) из его колес теряет упор и начинает проскальзывать относительно рельса.
Быстродействующий выключатель — аппарат, предназначенный для защиты силовых цепей постоянного тока при коротких замыканиях и перегрузках, а также для оперативных отключений.
Вихревые токи (токи Фуко) — индукционные токи, которые замыкаются в магнитопровода\ (массивных проводниках, сердечниках). Эти токи, возникающие под действием переменного магнитного поля, вызывают потери на нагрев проводника. Для уменьшения потерь магнитопроводы изготовляют из отдельных изолированных друг от друга пластин.
Воздушный промежуток — наименьшее расстояние между контактными проводами в среднем пролете изолирующего сопряжения анкерных участков; в момент прохода через сопряжение токоприемник перекрывает это расстояние и анкерные участки соединяются электрически.
Вспомогательная цепь — электрическая цепь, в которую на э. п. с. входят вспомогательные двигатели (например, двигатели вентиляторов, компрессоров, насосов) и устройства отопления. Предназначена для обслуживания собственных нужд электрического подвижного состава.
Выпрямитель неуправляемый — устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий) без регулирования выпрямленного напряжения; выполняется, как правило, на диодах.
Выпрямитель управляемый — устройство, служащее для преобразования переменного токр в
210
постоянный (пульсирующий) с регулированием выпрямленного напряжения; выполняется, как правило, на тиристорах.
Выбег — режим движения поезда по инерции с выключенными тяговыми двигателями.
Генератор управления — электрическая машина, которая служит для получения низкого напряжения (например, 50 В); с его помощью осуществляется питание электрических цепей управления, освещения и сигнализации локомотива.
Гибкость рессоры — прогиб рессоры в миллиметрах под действием силы в 10 кН.
Главный выключатель — выключатель, предназначенный для защиты тяговых силовых цепей переменного тока при коротких замыканиях и перегрузках, а также для оперативных отключений.
Грузовой компенсатор — устройство, с помощью которого регулируют натяжение контактного провода (полукомпенсированиая цепная подвеска) или контактного провода и несущего троса (компенсированная цепная подвеска).
Групповой переключатель — переключатель с общим приводом для нескольких контактных элементов.
Двигатель независимого возбуждения — двигатель, обмотка возбуждения которого питается от автономного (независимого) источника энергии и электрически не связана с обмоткой якоря.
Двигатель параллельного возбуждения — двигатель, обмотка якоря которого соединена параллельно с обмоткой возбуждения.
Двигатель последовательного возбуждения — двигатель, обмотка якоря которого соединена последовательно с обмоткой возбуждения.
Двигатель смешанного возбуждения — двигатель, у которого имеются две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно, а другая последовательно обмотке якоря. В зависимости от направления магнитных потоков,
создаваемых ими, различают двигатели согласного возбуждения (потоки складываются) и встречного возбуждения (потоки вычитаются).
Диод — полупроводниковый прибор с двухслойной р-ге-структурой, характеризующийся высокой проводимостью в прямом направлении и низкой в обратном.
Жесткая характеристика — характеристика, при которой скорость движения мало зависит от тока или силы тяги. Она является естественной характеристикой двигателя постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением.
Заземление — электрическое соединение с землей аппаратов, машин, приборов и др.; предназначено для защиты от опасного действия электрического тока, а в ряде случаев для использования земли в качестве проводника тока. Производится с помощью заземлителя, обеспечивающего непосредственный контакт с землей, и заземляющего проводника.
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный, как правило, выполненное на полупроводниковых управляемых приборах.
Индивидуальный тяговый привод—привод, при котором каждая колесная пара приводится во вращение своим тяговым двигателем.
Индуктивный шунт — катушка индуктивности, включаемая в одну из параллельных цепей, обеспечивающая в переходных режимах заданного токораспределения по этим цепям.
Касательная сила тяги — сумма сил сцепления в точках соприкосновения всех колес локомотива с рельсами.
Коммутация — изменение соединений в электрических цепях (включение, отключение и переключение их частей).
Коммутационные перенапряжения — перенапряжения, возникающие вследствие выключения и включения электрических цепей и аппаратов под нагрузкой.
Компенсационная обмотка — обмотка, расположенная в пазах главных полюсов двигателя и служащая для компенсации реакции якоря.
Контакт замыкающий — контакт, который замыкает те или иные цепи при прохождении тока по цепи его управления.
Контакт размыкающий — контакт, который размыкает те или иные цепи при прохождении тока по цепи его управления.
Контактная подвеска — подвеска, состоящая либо из контактного провода (простая), либо из несущего троса и контактного провода (одинарная цепная), либо из несущего троса, вспомогательного и контактного проводов (двойная цепная).
Контактная сеть — часть тяговой сети, представляющая собой комплекс устройств для передачи электрического тока от тяговой подстанции к электроподвижному составу посредством скользящего контакта; на магистральных железных дорогах выполняется в виде воздушной контактной подвески на опорах.
Контактор электропневматнческий — аппарат, состоящий из электромагнитной катушки, воздушного цилиндра с поршнем и контакта. При замыкании цепи обмотки катушки открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр, поршень перемещается и контакт, соединенный с ним, меняет положение на замкнутое (или разомкнутое) .
Контактор электромагнитный — аппарат, состоящий из электромагнитной катушки и контакта, меняющего свое положение (замкнут или разомкнут) под действием магнитного поля, создаваемого катушкой при прохождении по ней тока.
Контроллер машиниста—электрический многопозиционный переключающий аппарат низкого напряжения с ручным приводом, предназначенный для пуска, регулирования скорости, реверсирования, электрического торможения тяговых двигателей.
Коэффициент сцепления (расчетный) — отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива.
Коэффициент трансформации — соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Круговой огонь — мощная электрическая дуга, замыкающая накоротко пластины коллектора двигателя. Вызывает тяжелые повреждения двигателя.
Многолинейный способ изображения схемы — способ, при котором каждую цепь изображают отдельной линией, а элементы аппаратов в их
211
условном изображении дают отдельно для каждой цепи (фазы).
Мягкая характеристика—характеристика, при которой скорость движения существенно зависит от тока или силы тяги. Она является естественной характеристикой двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
Нейтральная вставка — участок контактной подвески, на котором в нормальных условиях нет напряжения.
Однолинейный способ изображения схемы — способ, при котором все цепи одной системы (например, три фазы трехфазной цепи) изображают одной линией. Число поперечных черточек на линиях электрической связи однолинейной системы указывает число линий.
Осевая формула—сочетание цифр и условных знаков, определяющих число движущих и бегунковых колесных пар, находящихся в одной тележке, число тележек и способ их соединения одна с другой.
Ослабление возбуждения двигателей — режим работы электродвигателя с последовательным возбуждением, при котором ток обмотки возбуждения меньше тока якоря.
Опорно-осевое подвешивание — способ опирания тягового двигателя на ось колесной пары с одной стороны и раму тележки с другой. Обеспечивает неизменность расстояния между центрами вала двигателя и оси колесной пары.
Опорно-рамное подвешивание — способ опирания тягового двигателя на надрессорное строение (раму тележки). Связь тягового двигателя с колесной парой осуществляется с помощью полого вала двигателя, карданной (торсионной) передачи или шарнирных муфт.
Передаточное число (отношение) —- соотношение числа зубьев большого и малого колес редуктора.
Переходной реактор — катушка индуктивности, которая служит для ограничения тока в контуре секции обмотки тягового трансформатора при переходе с одной ступени регулирования напряжения на другую. Индуктивное сопротивление реактора меняется в зависимости от направления токов в двух его полуобмотках.
Планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта — система, в соот
212
ветствии с которой техническое обслуживание и ремонт подвижного состава производятся через определенные пробеги или время работы локомотивов в зависимости от вида обслуживания или ремонта.
Поглощающие резисторы — резисторы, устанавливаемые на тяговых подстанциях для поглощения избыточной энергии рекуперации при отсутствии потребителей на линии.
Поезд — состав с одним или несколькими действующими локомотивами.
Полюса главные — часть магнитопровода остова коллекторного двигателя. Ток, проходящий по обмоткам возбуждения, которые расположены на главных полюсах, создает основной магнитный поток.
Полюса дополнительные — полюса, служащие для создания магнитного потока, необходимого для компенсации реактивной э. д. с.
Поперечный разбег колесной пары — перемещение колесной пары в поперечном направлении относительно рамы тележки.
Принципиальная (полная) схема—чертеж, показывающий все элементы, входящие в установку, и связи между ними.
Продолжительная мощность (мощность в продолжительном режиме) — наибольшая мощность, которую может развивать двигатель в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения температуры узлов двигателя сверх максимального допустимого значения.
Разъединитель — на э. п. с. аппарат, предназначенный для отсоединения тяговой силовой цепи от токоприемника.
Реакция якоря — воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток возбуждения, приводящее к искажению последнего.
Реверсирование — изменение направления вращения якоря тягового двигателя путем изменения направления магнитного потока или направления тока в обмотке якоря.
Рекуперативное торможение — способ электрического торможения, при котором электрическая энергия вырабатывается тяговыми электродвигателями и поступает в контактную сеть.
Рельсовая сеть-- часть тяговой сети, представляющая собой совокупность электротяговых (т. е. используемых для протекания тяговых токов) нитей ходовых рельсов.
Реостатное торможение — способ электрического торможения, при котором электрическая энергия, вырабатываемая в генераторном режиме тяговыми двигателями, поглощается в резисторах, превращаясь в тепловую.
Рессорное подвешивание — совокупность листовых и цилиндрических (пружинных) рессор со связующими промежуточными деталями.
Сглаживающий реактор — катушка индуктивности, которая включена последовательно в цепь тяговых двигателей электроподвижного состава переменного тока для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.
Сила сцепления — сила реакции рельса, возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке.
Скольжение асинхронного двигателя — относительная разность частоты вращения магнитного потока статора и частоты вращения ротора в асинхронном двигателе.
Сопротивление движению поезда — равнодействующая всех сил, возникающих вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. д.
Состав — совокупность сформированных и сцепленных вагонов.
Структурная схема — чертеж, определяющий основные функциональные части изделий (установок), их назначение и взаимные связи.
Схема разнесенная — изображение электрических цепей с применением условных обозначений контактов и обмоток аппаратов, машин и приборов в последовательности, соответствующей прохождению тока.
Схема совмещенная — изображение электрических цепей с применением условных обозначений машин, аппаратов и приборов в одном месте со всеми относящимися к ним обмотками и контактами. Электрические соединения меж.т\ ними показывают линиями.
Схема соединений (монтажная) — схема, ио которой ведется монтаж. На ней показано раз
мещение всего оборудования; прокладка и подключение проводов, жгутов, кабелей, которыми осуществляют соединения, а также места их соединений.
Сцепиой вес — сила нажатия от всех движущихся колес локомотива на рельсы.
Тиристор — полупроводниковый прибор с четырехслойной р-ге-р-ге-структурой, способный находиться в закрытом состоянии в случае приложения к нему как прямого, так и обратного напряжения, если на прибор не подается сигнал включения, и пропускать ток при малом падении напряжения в прямом направлении, если прибор открыт управляющим сигналом.
Токоприемник — устройство для съема электрического тока с контактного провода.
Тормозная сила — сила, образующаяся вследствие трения тормозных колодок о бандажи колес (механическое торможение) или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов (электрическое торможение).
Тяговая сеть — совокупность устройств, содержащая контактную сеть, рельсовую сеть, питающие и отсасывающие линии (фидеры).
Тяговая силовая цепь — на э. п. с. электрическая высоковольтная цепь, в которую входят тяговые двигатели, пусковая и регулирующая аппаратура; предназначена для реализации тяговой мощности электрическим подвижным составом.
Тяговая характеристика — зависимость силы тяги локомотива от скорости его движения.
Управление по системе многих единиц — способ управления несколькими единицами подвижного состава из одной кабины машиниста с помощью специальных межлокомотивных соединений и гибких кабелей либо по радио.
Участок обращения (тяговое плечо) — участок железной дороги, по которому локомотив проходит без отцепки от состава.
Функциональная схема — чертеж, позволяющий понять определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных частях установки или в установке в целом. Ею пользуются для изучения принципов работы установки, при наладке, контроле и ремонте.
Часовая мощность (мощность в часовом режиме) — мощность, которую может развивать дви
213
гатель в течение часа в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых люках, не вызывая превышения температурой узлов двигателя максимального допустимого значения.
Частотно-импульсное регулирование — способ регулирования среднего напряжения, подводимого к двигателю, путем подсоединения его к контактной сети на определенный промежуток времени при изменяющейся частоте следования импульсов.
Широтно-импульсное регулирование — способ регулирования среднего значения напряжения, подводимого к двигателю, путем изменения времени его подсоединения к контактной сети при неизменном периоде повторения импульсов.
Э. д. с. взаимной индукции — э. д. с., возникающая под действием взаимного влияния переменных магнитных полей в соседних коммутируемых витках.
Э. д. с. реактивная — результирующая э. д. с. самоиндукции, взаимной индукции и реакции якоря.
Э. д. с. самоиндукции — э. д. с., возникающая в проводнике под действием магнитного поля, создаваемого изменяющимся электрическим током; э. д. с. самоиндукции препятствует изменению тока, вызывающему ее.
Э. д. с. трансформаторная — э. д. с., возникающая под действием пронизывающего коммути
руемые секции переменного магнитного потока, создаваемого в обмотках возбуждения главных полюсов пульсирующим током.
Электрическая схема — чертеж, показывающий связи между отдельными элементами электрической цепи, выполненной с применением условных графических обозначений и позволяющий понять принцип действия устройства.
Электрическая цепь управления — электрическая цепь низкого напряжения, например, 50 и 100 В, на электроподвижном составе, с помощью которой управляют аппаратами силовой и вспомогательной цепей, сигнализацией и др.
Электромеханические характеристики тягового электродвигателя — зависимости вращающего момента, частоты вращения и коэффициента полезного действия от тока тягового двигателя.
Элемент схемы — составная часть схемы, которая не может быть разделена на другие части, имеющие самостоятельное значение (например, трансформаторы, конденсаторы).
Энергосистема — совокупность крупных электрических станций, объединенных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией.
Юз — явление скольжения (без вращения) колес по рельсам, возникающее вследствие приложения силы торможения большей допустимой по условиям сцепления.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ
НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПОСТРОЙКИ
Показатели	Характеристики электровозов серий				
	ВЛ8	ВЛ10/ВЛ10у	влп	ВЛ82"	ВЛ80т/ВЛ80'; ВЛ80р
Год начала — окончания выпуска	1955--1967	1967— 1976/1976	1978	1972	1969— 1980/1980
Напряжение в контактной сети, кВ	3	3	3	25/3*	25
К. п. д. электровоза при номинальном режиме	0,891	0,902	0,88	0,86/0,9*	0,84
Конструкционная скорость, км/ч	100	100	100	110	но
Масса электровоза, т	180	184/200	184/276**	200	184/184; 192
Нагрузки от колесной пары на рельсы, кН (тс)	221 (22,5)	221/245 (22,5/25)	226 (23)	245 (25)	235 (24)
Число двигателей	8	8	8/12**	8	8
Осевая формула	2о+ 2О+ 20 —	2о-2о-2о-20	2(2о-2„)/3(2„- 2»)**	2(2о-2о)	2(2„-2„)
Часовой режим					
Мощность на валах тя-тяговых двигателей, кВт	4200	5360	5360/8040	6040	6520
Сила тяги на ободе колес, кН (тс)	345 (35,2)	387 (39,5)	387/584 (39,5/59,5)**	416 (42,4)	442 (45,1)
Скорость, км/ч	42,6	48,7	48,7	51,0	51,6
Продолжительный режим					
Мощность на валах тяговых двигателей, кВт	3760	4600	4600/6900**	5760	6160
Сила тяги на ободе колес, кН (тс)	302 (30,83)	314 (32)	314/471 (32/48)**	421 (42,92)	401 (40,92)
Скорость, км/ч	44,3	51,2	51,2	51,6	53,6
* В числителе дано напряжение и к. п. д. при работе на участке переменного тока, в знаменателе — на участке постоянного тока.
“ В числителе приведены данные для электровоза при работе в двухсекционном исполнении, в знаменателе — в трехсекционном.
215
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Правила выполнения схем и некоторые условные графические обозначения в схемах определяются стандартами: ГОСТ 2.701—84 «Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению»; ГОСТ 2.721—74 «Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения»; ГОСТ 2.722—68 «Обозначения условные графические в схемах. Машины электрические»; ГОСТ 2.730—73 «Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые»; ГОСТ 2.748—68 «Обозначения условные графические электроподстанций и подстанций в схемах энергоснабжения»; ГОСТ 2.750—68 «Обозначения условные графические в схемах. Род тока и напряжения; виды соединения обмо-
НЕКОТОРЫЕУСЛОВНЫЕ
ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
В СХЕМАХ
ток; формы импульсов»; ГОСТ 2.751—73 «Обозначения условные графические в схемах. Электрические связи, провода, кабели и шины»; ГОСТ 2.755—74 «Обозначения условные графические в схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения»; ГОСТ 2.770—68 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики»; ГОСТ 2.780—68 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы гидравлических и пневматических сетей», а также некоторыми другими ГОСТами.
Ниже приведены графические обозначения элементов, наиболее часто встречающиеся в схемах электрических цепей.
Линии электрической связи, провод, кабель, шина
Графическое пересечение проводов (кабелей, шин), электрически не соединенных
Линия электрической связи с ответвлениями
Контакт;
неразборного соединения
разборного соединения
Заземление
Корпус (машины, аппарата, прибора)
Ток постоянный
Ток переменный
Ток пульсирующий
Полярность отрицательная
Полярность положительная
Резистор постоянный
Резистор переменный в реостатном включении. Общее обозначение
Катушка индуктивности, дроссель без сердечника
—II—	Конденсатор постоянной емкости
Машина электрическая. Общее обозначение
Примечание. Внутри окружности допускается указывать следующие данные:
род машины — G — генератор; М — двигатель; ZZ — сельсин и т. д.; род тока, число фаз или вид соединения обмоток в соответствии с требованиями ГОСТ 2.750—68
Пример. Двигатель трехфазный с соединением обмоток статора в «звезду»
Ротор с обмоткой, коллектором и щетками
Обмотка дополнительных полюсов, обмотка компенсационная
216
Обмотка статора (каждой фазы) машины переменного тока, обмотка последовательного возбуждения машины постоянного тока
Обмотка параллельного возбуждения машины постоянного тока, обмотка независимого возбуждения
Статор с трехфазной обмоткой, соединенной:
в «треугольник»
I Контакт с автоматическим воз-вратом по перегрузке
Выключатель многополюсный, например трехполюсный
Контакт для коммутации силыю-\	точной цепи замыкающий дуго-
I	гасительный
Линия механической связи в электрических схемах
То же при небольшом расстоянии между элементами и их составными частями.
в «звезду»
Выключатель кнопочный нажимной:
Обмотка трансформатора, реактора (дросселя)
Примечание. Число полуокружностей в изображении обмотки и направление выводов не устанавливается
Сердечник (магнитопровод): ферромагнитный, с воздушным зазором
Реактор (в схемах электроснабжения)
Трансформатор однофазный с ферромагнитным сердечником
Контакт разъединителя
Контакт коммутационного устройства (общее обозначение):
с замыкающим контактом
или Е
с размыкающим контактом
с возвратом путем вытягивания кнопки
-»----- Соединение контактное разъем-
ное
Обмотка реле, контактора. Общее обозначение
П	Токосъемник1 управляемый (пан-
_	тограф)
 Промежуток искровой двухэлектродный. Общее обозначение
замыкающий
Разрядник. Общее обозначение
размыкающий
переключающий
' В соответствии с ГОСТ 19350—74 «Электрооборудование электрического подвижного состава. Термины и определения» применяется термин «токоприемник».
217
или ®
Предохранитель плавкий. Общее обозначение
Лампа накаливания осветительная или сигнальная. Общее обозначение.
Прибор электроизмерительный: показывающий
Примечание. Если необходимо указать цвет лампы, допускается использовать следующие обозначения: С2 — красный; С4 — желтый; С5 — зеленый; С6 — синий; С9 — белый
регистрирующий (например,
счетчик
электрической энергии)
----- Диод. Общее обозначение
-----Ы._____Тиристор триодный с управлением по катоду
Элемент гальванический или аккумуляторный
Примечание. Допускается знаки полярности не указывать
Электростанция действующая.
Общее обозначение
Однофазная мостовая выпрямительная схема. Упрощенное изображение (условное графическое обозначение)
Подстанция выпрямительная действующая
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Важные программы научно-технического прогресса.— Электр, и тепловоз, тяга, 1986, № 7, с. 2—4.
2.	Д м и т р и е в В. А. Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и применения тепловозной тяги. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1980. 272 с.
3.	Д ы м а н т Ю. И. Электропоезда нового поколения //Электр, и тепловоз, тяга. 1982, № 5. С. 2—4.
4.	3 в е з д к и н М. Н. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1985.— 263 с.
5.	3 е н з и н о в Н. А. От Петербург-Мос-ковской до Байкало-Амурской магистрали. М.: Транспорт, 1986. 216 с.
6.	3 о р о х о в и ч А. Е., Крылов С. С. Основы электроники для локомотивных бригад: Учебн. пособие для техн, школ машинистов локомотивов и их помощников. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1983. 224 с.
7.	К а л и и и и В. К., Михайлов Н. М., Хлебников В. Н. Электроподвижной состав железных дорог. 3-е изд., перераб. и доп., М.: Транспорт, 1972. 536 с.
8.	Капустин Л. Д., Находкин В. В. Электровоз ВЛ85. Конструкция и результаты испытаний //Электр, и тепловоз, тяга, 1985, № 4. С. 45—47.
9.	К а п у с т и н Л. Д., Копанев А. С., Лозановский А. П. Особенности устройства и эксплуатации электровоза ВЛ80р М.: Транспорт, 1979. 175 с.
10.	Костюковский М. А. Управление электропоездом и его обслуживание. М.: Транспорт, 1980. 208 с.
И. Кулиш В. Ф. Грузовой электровоз ВЛ15.— Электр, и тепловоз, тяга, 1986, Ns 2, с. 38—39.
12.	Кулиш В. Ф. Перспективные электровозы //Электр, и тепловоз, тяга, 1984, Ns 7. С. 35—37.
13.	Магистральные электровозы. Электрические аппараты и схемы/Б. К- Баранов, В. К. Калинин, М. А. Карцер и др. М.: Машиностроение, 1969. 367 с.
14.	Магистральные электровозы переменного тока /В. И. Бочаров, В. И. Попов, Б. А. Тушканов и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1976. 480 с.
15.	Осипов С. И. Основы электрической и тепловозной тяги: Учебник для техникумов ж. д. транспорта. М.: Транспорт, 1985. 408 с.
16.	Правила тяговых расчетов для поездной работы /МПС СССР. М.: Транспорт, 1985. 287 с.
17.	Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава/Ю. М. Иньков, Н. А. Ротанов, В. П. Феоктистов, О. Г. Чаусов; Под. ред. Ю. М. Инькова. М.: Транспорт, 1982. 263 с.
18.	Проектирование систем управления электроподвижным составом/Н. А. Ротанов, Д. Д. Захарченко, А. В. Плакс, В. И. Некрасов, Ю. М. Иньков; Под ред. Н. А. Ротанова. М.: Транспорт, 1986. 327 с.
19.	Розенфельд В. Е., Исаев И. П., Сидоров Н. Н. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж. д. трансп. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1983. 328 с.
20.	С и д о р о в Н. И. Как устроен и работает электровоз. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1980. 223 с.
21.	Стрельников В. Т., Исаев И. П. Комплексное управление качеством технического обслуживания и ремонта электровозов. М.: Транспорт, 1980. 207 с.
219
22.	Тихменев Б. Н., Т р а х т м а и Л. М Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты: Учебник для вузов ж.-д. трансп. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1980. 471 с.
23.	Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока/В. Е. Розенфельд, В. В. Шевченко, Г. П. Долаберидзе и др.; Под ред. В. Е. Розенфельда. М.: Транспорт. 1970. 240 с.
24.	Тяговые подстанции/Ю. М. Бей, Р. Р. Мамошин, В. Н. Пупынин, М. Г. Шалимов. М.: Транспорт, 1986. 319 с.
25.	Устройство и работа электровозов переменного тока: Учебник для техн, школ ж.-д. трансп. /X. Я. Быстрицкий, 3. М. Дубровский, Б. Н. Ребрик. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1982. 456 с.
26.	Устройство и работа электровозов постоянного тока: Учебник для техн, школ ж.-д. трансп. /А. С. Алябьев, Е. В. Горчаков, С. И. Осипов и др. М.: Транспорт. 1977. 464 с.
27.	Электроподвижной состав. Эксплуатация, надежность, ремонт /Под ред. А. Т. Головатого, П. И. Борцова. М.: Транспорт, 1985. 351 с.
28.	Яковлев Д. В. Управление электровозом и его обслуживание. М.: Транспорт, 1978. 299 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................... 3
1	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ 2	УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ И ЧТЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ 3	ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ 4	АППАРАТЫ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА	Первое знакомство с электровозом ....	5 Переменный или постоянный ток?	 7 Электроснабжение электрифицированных железных дорог 	 9 Немного из теории движения поезда	....	12 Этапы электрификации железных дорог ...	16 Условные графические обозначения в схемах .	20 Электрические схемы	21 Какому двигателю отдать предпочтение? . .	27 Устройство тягового двигателя 	 32 Коммутация. Реакция якоря	40 Мощность тягового двигателя	43 Особенности двигателей пульсирующего тока .	46 Токоприемники 	 49 Разъединители и быстродействующие выключатели 	51 Пуск тяговых двигателей. Пусковые реостаты и индивидуальные контакторы	55 Перегруппировка двигателей. Групповые переключатели	 60 Режим ослабленного возбуждения тяговых двигателей. Индуктивные шунты	65 Реверсоры	 67 Электрическое торможение	68 Принципиальные схемы силовых цепей ...	73
221
5 АППАРАТЫ
И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Токоприемники ............................ 78
Разъединитель и главный выключатель ...	78
Тяговые трансформаторы. Регулирование напряжения ..................................81
Главный контроллер.........................85
Полупроводниковые приборы..................86
Преобразовательные установки для режима тяги.......................................89
Преобразовательные установки для режима электрического торможения .................92
Принципиальные схемы силовых цепей . .	95
6 ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Компрессоры и пневматическая цепь управле-
ния ........................................99
Охлаждение машин и аппаратов...............102
Генераторы управления и преобразователи . . 104
Привод вспомогательных машин...............105
Вспомогательные цепи и их электрические схемы.....................................107
7 УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗАМИ И ЗАЩИТА ИХ В НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ
Непосредственное и косвенное управление. Контроллеры машиниста.......................111
Электрические блокировки .................. 114
Схема цепи управления электровоза постоянного тока..............'....................116
Схема цепи управления электровоза переменного тока...................................123
Управление вспомогательными цепями . . . 127
Управление электровозами по системе многих единиц......................................130
Защита оборудования электровозов от коротких замыканий и перегрузок......................131
Защита от перенапряжений и радиопомех . . 136
Защита от боксования........................137
Коротко о других защитах...................139
8 МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
Осевые формулы электровозов............143
Рамы тележек............................146
Кузова электровозов и их опоры..........147
Рессорное подвешивание.................151
Колесные пары, буксы и подшипники	.	.	.	152
Тяговые передачи и подвешивание тяговых двигателей ...................................154
Токоотводящее устройство...............157
Расположение оборудования на электровозах	.	158
222
9 ОПЫТНЫЕ ЭЛЕКТРОВОЗЫ — ПРОТОТИПЫ ЛОКОМОТИВОВ БУДУЩЕГО 1 0 ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ, СОДЕРЖАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 1 1 КОРОТКО ОБ ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ, ОСОБЕННОСТЯХ ИХ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ 1 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ	Импульсное регулирование напряжения . . 163 Независимое возбуждение тяговых двигателей . 166 Бесколлекторные тяговые двигатели . . . 169 Перспективы электровозостроения	172 Способы обслуживания поездов локомотивами .	175 Экипировка, организация технического обслуживания и ремонт электровозов 	 176 Общие сведения	183 Устройство электропоездов 	 185 Тяговые подстанции 	 189 Тяговая сеть	192 Защитные заземления	198 Секционирование и питание контактной	сети	.	201 Система электроснабжения 2X25	кВ	. .	.	203 Блуждающие токи	205 Мешающее воздействие тягового тока на линии связи 	206 Заключение 	207 Приложение 1. Словарь основных понятий и терминов	210 Приложение 2. Основные данные некоторых электровозов отечественной постройки . . 215 Приложение 3. Некоторые условные графические обозначения	в	схемах 	 216 Список литературы	219
Производственное издание
Сидоров Николай Иванович, Сидорова Наталья Николаевна
КАК УСТРОЕН И РАБОТАЕТ ЭЛЕКТРОВОЗ
Переплет художника Н. В. Кондрашова Технический редактор Н. Д. Муравьева Корректор-вычнтчик Л. В. Ананьева Корректор Н. Е. Рыдзинския
И Б № 3673
Сдано в набор 04.06.87. Подписано в печать 18.04.88. Т-06966. Формат 70Х90!/1б- Бум. офс. № Г. Гарнитура литературная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 16,38. Усл. кр.-отт. 33,35. Уч.-изд. л. 17. Тираж 70 000 экз.
Заказ 3543. Цена 1 р. 50 к.
Изд. № I-3-3/5 № 3924.
Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ», 103064, Москва, Басманный туп., 6а
Ордена Трудового Красного Знамени типография издательства Куйбышевского обкома КПСС, 443086, Куйбышев, проспект Карла Маркса, 201.	*
ЭЛЕКТРОВОЗ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1	— воздушные резервуары;
2	— блок аппаратов;
3	— мотор-компрессор;
4	— мотор-вентилятор
5	— блок выпрямительной установки;
6	—жалюзи;
7	— главный выключатель;
8	— блок аппаратов;
9	— катушка приемная АЛСН;
10	— групповой контроллер;
11	— тяговый трансформатор