Электровоз ЭП1: устройство локомотива переменного тока
В 1998-м году Новочеркасским электровозостроительным заводом (НЭВЗ) был построен первый российский пассажирский электровоз переменного тока 25 кВ — ЭП1, название так и расшифровывается: Электровоз Пассажирский модель 1. Фактически это был рестайлинг предшествующего электровоза ВЛ65.
История создания ЭП1
После развала СССР в 1990-х годах железные дороги России испытывали явный дефицит современных электровозов для эксплуатации в пассажирском движении. Дело в том, что СССР не затачивал производство своих собственных пассажирских локомотивов переменного тока, закупая их у Чехословакии. Известная серия электровозов «ЧС», как для работы на постоянном токе, так и на переменном ЧС4 и ЧС4т, была задействована в загруженном западном и центральном направлениях, а железные дороги Сибири и Дальнего востока обходились морально и физически устаревшими локомотивами ВЛ60ПК.
С развалом СССР стало понятно, что закупать электровозы ЧС дорого, и пришло понимание необходимости разработки собственной модели. Тем более что Новочеркасский электровозостроительный завод — крупнейший производитель электровозов в СССР и теперь России, был готов выполнить такой заказ. В модельном ряду НЭВЗ находился электровоз ВЛ85 — грузовая машина переменного тока, двухсекционная и с шестью осями на секцию. Конструкторы приняли решение использовать эту модель как базовую, и началась работа по созданию нового локомотива. К секции ВЛ85 была добавлена вторая кабина, таким образом получился односекционный шестиосный электровоз, который получил название ВЛ65, где ВЛ — Владимир Ленин, дань так сказать строителю всех заводов СССР, далее «6» — шесть осей, «5» — отсылка к модели ВЛ85. В 1992-м году первый электровоз новой модификации ВЛ65 вышел из ворот НЭВЗа.
Конечно ВЛ65 имел ряд недостатков, особенно для работы в пассажирском движении, но самый главный недостаток, который стремились изменить конструкторы в первую очередь — это опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей. Тяжелые электродвигатели создавали значительную динамическую нагрузку на путь, колесную пару и редуктор, так как являлись неподрессоренной массой.
Все недочеты ВЛ65 исправлялись в процессе производства, над улучшением конструкции локомотива велась постоянная работа. Но в итоге, как конечное обновление, в 1998-м году появился первый пассажирский электровоз ЭП1, принявший эстафету от ВЛ65, производство которого было прекращено. После завершения испытаний нового ЭП1 был начат их серийный выпуск, продолжавшийся по 2007-й год. Всего был построен 381 электровоз ЭП1.
Конструкция электровоза ЭП1
Особенности конструкции
От своего предшественника, электровоза ВЛ65, наша российская модель имела ряд отличий, хотя внешне они выглядели идентично. На ЭП1 устанавливались другие тяговые двигатели, новой разработки модели НБ-520В, а также было применено опорно-рамное подвешивание ТЭД. Однако есть данные, что электровоз ЭП1-001 по неизвестным причинам имел опорно-осевое подвешивание ТЭД, по аналогии с электровозом ВЛ65. Помимо этого в редукторе ТЭД применялось уменьшенное передаточное число, таким образом конструкционная скорость составила 140 км/ч, но одновременно была снижена сила тяги. Если идти по отличиям с ВЛ65, то ЭП1 потерял возможность работы по системе многих единиц, соответственно внешне это проявляется в отсутствии розеток межэлектровозного подключения.
Также ЭП1 комплектовался статическим частотным преобразователем, благодаря которому вспомогательные машины (мотор-вентиляторы и компрессор) могли работать на пониженной частоте вращения, было предусмотрено тройное замедление работы электромоторов. Когда тяговым электродвигателям или тяговому трансформатору не требовалось мощное охлаждение, например при начале движения поезда со станции, вспомогательные машины подключались не через обмотку трансформатора, а через частотный преобразователь. Это сделало электровозы малошумными, особенно по сравнению с действующими в то время ВЛ65 и ВЛ60ПК.
Главным новшеством электровоза ЭП1 являлись два компьютера: основной и резервный, которые были главной действующей единицей МСУД — так называемой Микропроцессорной системы управления движением.
Кузов
Главными элементами кузова электровоза ЭП1 являются: рама, боковые стенки, крыша, кабины, каркасы, форкамеры, песочницы. Все элементы сделаны из листового металла, сварных прокатных и гнутых профилей. Основная динамическая нагрузка приходится на раму кузова, а сам кузов имеет полунесущий тип: каркасы и стены воспринимают меньшие нагрузки, чем рама.
В данном электровозе, как мы уже сказали, рама является основой кузова, воспринимая все динамические нагрузки. Что из себя представляет данный элемент: продольные балки сварены между собой металлическим листом, а по концам с каждой стороны скреплены буферными брусьями, в средней части скрепляющими являются три коробчатые поперечные балки над тележками и трансформаторные балки в середине, между тележками.
Все ключевые элементы рамы соединены при помощи сварки сплошными швами. В местах присоединения автосцепного устройства по обоим сторонам рамы на буферных брусьях крепятся ударно-поглощающие устройства.
Кабина электровоза ЭП1, в части металлической конструкции, сварена из стальных листов и аналогична кабине электровозов ВЛ65 и ВЛ85. Ниже лобовых стекол передняя часть кабины плоская, на уровне стекол имеет наклон назад. Проемы для лобовых стекол имеют повышенную прочность.
Прожектор электровоза расположен в верху кабины по середине (над лобовыми стеклами), корпус прожектора квадратный, чуть выпирающий из кузова, имеет круглый вырез под стекло светильника. Буферные фонари ниже лобовых стекол снабжены защитными решетками. Всего лишь на пяти электровозах в буферных фонарях были установлены светодиодные лампы.
Тележки
На электровозе ЭП1 установлено три бесчелюстные двухосные тележки с колесной формулой 2о-2о-2о. Подвешивание рамы тележки рессорное двухступенчатое, рама опирается на приливы букс с помощью 12-ти пружин, а также с помощью поперечной подвески, в качестве второй ступени. Присоединение кузова к тележкам осуществляется через люлечную подвеску, в случае двух крайних тележек, средняя же присоединяется через комплекты упругих качающихся стержней. Это сделано для обеспечения большого количества степеней свободы, для увеличение максимального радиуса кривых.
Буксовые узлы помимо пружин имеют специальный гидродемпфер для гашения колебаний. Передача тягового усилия от колес электровоза к автоматическому сцепному устройству происходит через наклонные тяги, которые рассчитаны на передачу усилия в обе стороны, как на сжатие, так и на расширение.
Подвешивание тяговых электродвигателей осуществляется опорно-рамным способом, а тяговые редукторы опираются на ось колесной пары. Редуктор имеет косозубую зубчатую передачу, с передаточным числом, меньшим, чем на ВЛ65. таким образом увеличилась конструкционная скорость, но уменьшился крутящий момент.
Также на каждой тележке установлено тормозное оборудование. Электровоз оснащен рычажной системой тормозов, где нажатие тормозных колодок на бандаж колеса осуществляется с двух сторон.
Электрооборудование ЭП1
Токоведущее оборудование
Токоведущее оборудование обеспечивает подключение тягового трансформатора электровоза к контактной сети, и включает в себя: два токоприемника, воздушные разъединители, воздушный выключатель, токоведущие шины, дроссель радиопомех.
Токоприемники расположены на крыше локомотива, возле кабин машиниста, и в их качестве применяются классические пантографы (см. фото) Л1У1-01. По электрической схеме после токоприемника следует дроссель подавления радиопомех. Высоковольтные разъединители оборудованы поворотным ножом, предназначенным для разъединения электрической цепи от неисправного токоприемника. Для противодействия образованию электрической дуги разъединении цепи производится только при выключенном главном выключателе (ГВ), который на схеме следует сразу за высоковольтным разъединителем. ГВ расположен также на крыше, в центре локомотива. и предназначен для оперативного отключения питания тягового трансформатора от контактной сети. В качестве ГВ применяется один тип воздушных выключателей, состоящих из дугогасительной камеры и поворотного разъединителя, который в выключенном положении соединяет первичную обмотку тягового трансформатора с корпусом электровоза (корпус заземлен через цепь кузов-колесо-рельс).
Тяговый трансформатор
Сердцем электровоза ЭП1 можно считать тяговый трансформатор модели ОНДЦЭ-5700/25-У2. Данный трансформатор понижает входное напряжение в 25 000 Вольт, до напряжения, необходимого тяговым электродвигателям (1000 Вольт), а также до напряжения работы вспомогательных машин, отопления и энергоснабжения поезда. Так как ЭП1 поддерживает режим рекуперативного торможения, в задачи трансформатора входит преобразование напряжения от тяговых электродвигателей (через преобразователь) в напряжение контактной сети. Трансформатор укомплектован обмотками: первичной (сетевой), мощностью 6583 кВ*А, двух групп (тяговых), которые состоят из трех секций, собственных нужд, возбуждения ТЭД, отопления. Все обмотки погружены в масло, которое в принудительном порядке циркулирует с помощью насоса через радиатор охлаждения, который обдувается мотор-вентилятором.
Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП)
Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) предназначены для преобразования переменного тока от тяговых обмоток трансформатора в постоянный, а также для плавного регулирования напряжения на тяговых электродвигателях. А поскольку предусмотрено рекуперативное торможение, ВИП преобразуют постоянный ток от ТЭД в переменный ток, возвращаемый через тяговый трансформатор в контактную сеть. В режиме рекуперативного торможения ВИП также регулируют величину противо-ЭДС.
Электровоз ЭП1 включает два выпрямительно-инверторных преобразователя, и каждый подключается к своей группе тяговых обмоток трансформатора. От одного преобразователя получают питание три электродвигателя, соединенных параллельно.
Более подробно о выпрямительно-инверторных преобразователях читайте в нашем материале.
Тяговые электродвигатели
Всего на электровозе ЭП1 установлено шесть тяговых электродвигателей (ТЭД), по одному на каждую ось. Вес одного двигателя 3500 кг, по этому опорно-рамное подвешивание как раз кстати, эта масса на данном электровозе становится подрессоренной. Электродвигатели работают от пульсирующего тока и имеют коллекторный тип с шестью полюсами, модель двигателя — НБ-520В. На ТЭД применяют последовательное возбуждение и принудительную вентиляцию: воздушные массы движутся со стороны коллектора через вентиляционный люк, и выходят через щелевые отверстия подшипникового щита.
Максимальное входное напряжение на коллекторе составляет 1000 Вольт, максимальная частота вращения — 2020 оборотов в минуту.
Основные параметры ТЭД в часовом и длительном режимах работы:
| Режим | Мощность, кВт | Сила тока, А | Частота вращения, об./мин. | КПД |
|---|---|---|---|---|
| Часовой | 800 | 845 | 1030 | 94,5 |
| Длительный | 750 | 795 | 1050 | 94,6 |
Вспомогательные машины
На электровозе ЭП1 вспомогательные машины (компрессоры, вентиляторы, масляный насос трансформатора) работают от асинхронных электродвигателей, имеющих питание по трехфазной системе. Впервые на данном электровозе применена система питания электродвигателей вспомогательных машин как от соответствующей обмотки тягового трансформатора, так и от статичного частотного преобразователя, позволяющего снизить их частоту вращения втрое, что позволяет значительно уменьшить шум и потребление электроэнергии в режимах, когда охлаждение ТЭД и трансформатора в полную мощность не требуется, например при начале движения поезда.
Преобразование однофазной схемы питания в трехфазную осуществляется преобразователем частоты и числа фаз. В режиме максимальной скорости вращения мотор-вентиляторов на них подается напряжение 380 Вольт 50 Гц от обмотки собственных нужд, в режиме низкой скорости вращения напряжение снижается до 90 или 40 Вольт (два режима замедления) и частоты 16,7 Гц. Мотор-компрессор всегда работает только на максимальной скорости вращения.
Микропроцессорная система управления
На электровозе ЭП1 впервые в России была применена микропроцессорная система управления, в задачи которой входит контроль основного оборудования, а также автоматическое управление выпрямительно-инверторными преобразователями в разных режимах ведения поезда:
- Авторегулирование — машинист задает максимальный ток и скорость, после чего электровоз разгоняется до заданной скорости и поддерживает ее на профилях пути без спусков, осуществляя плавное регулирование напряжения на ТЭД.
- Ручное регулирование — машинист сам задает ток на тяговых электродвигателях, и система управления дает команду выпрямительно-инверторным преобразователям. Таким образом скорость регулируется машинистом вручную. Данный режим предполагается как аварийный.
- Автоведение — режим предполагает использованием специальной кассеты с данными, подключаемой к системе КЛУБ, с записанным профилем пути, станциями и ограничениями скорости. Основываясь на этих данных система управления сама осуществляет управление тягой, а также рекуперативным и пневматическим торможением, поддерживая необходимую скорость.
- Советчик — режим аналогичен режиму Авторегулирование, только на дисплее МСУД показываются наиболее оптимальные действия машиниста, согласно кассеты с данными. Вместо того, чтобы управлять электровозом автоматически, как в режиме Автоведение, МСУД дает советы машинисту.
Эксплуатация электровозов ЭП1
Электровозы ЭП1 предназначены для эксплуатации на железных дорогах, оснащенных контактной сетью напряжением 25 кВ переменного тока, и после выпуска с завода направлялись на службу:
- Красноярская железная дорога (депо Красноярск);
- Дальневосточная ЖД (д. Хабаровск 2);
- Октябрьская ЖД (д. Кандалашка);
- Приволжская ЖД (д. Саратов 2);
- Западно-сибирская ЖД (д. Карасук 1);
- Восточно-Сибирская ЖД (д. Иркутск-сортировочный);
- Забайкальская ЖД (д. Белогорск, сюда в последствии будут переданы электровозы из депо Хабаровск 2);
- Северо-Кавказская ЖД (д. Кавказская);
- Юго-Восточная ЖД (д. Россошь).
Технические характеристики ЭП1
| Осевая формула | 2о-2о-2о |
| Габарит | 1-Т |
| Длина (по осям автосцепок), мм | 22500 |
| Ширина (по стенам), мм | 3180 |
| Высота (крыша кузова), мм | 4250 |
| Колёсная база тележек, мм | 2900 |
| Ширина колеи, мм | 1520 |
| Диаметр новых колес, мм | 1250 |
| Рабочая масса, т | 132 |
| Нагрузка от оси на рельсы, тс | 22 |
| Максимальная разность нагрузки между колёсами оси, кН (тс) | 5,0 (0,51) |
| Масса крайней/средней тележки, т | 21,15 / 20,37 |
| Запас песка, кг | 780 |
| Номинальное напряжение, кВ | 25 |
| Допустимое напряжение, кВ | 19 — 29 |
| Род и частота тока, Гц | 50, однофазный переменный |
| Мощность на валах ТЭД, кВт | 4700 (4400 длительный режим) |
| Сила тяги, кН | 380 |
| Скорость, км/ч | 120 |
| Мощность рекуперативного торможения, кВт | 6500 (4500 длит.) |