Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП)
Что такое выпрямительные установки и выпрямительно-инверторные преобразователи?
Данная тема напрямую касается электровозов и электропоездов переменного тока. На данных локомотивах и электропоездах применяют в основном тяговые электродвигатели постоянного (пульсирующего) тока. Проводится большая работа по установке на электровозы переменного тока тяговых электродвигателей переменного тока (асинхронных), но пока их внедрение носит экспериментальный характер. Высокое напряжение в контактной сети переменного тока (25000 Вольт) и значительно меньшее напряжение на коллекторах тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока требует необходимости использования тяговых трансформаторов для понижения напряжения и преобразователей (диодов) для выпрямления переменного тока в постоянный.
Появление таких преобразователей – кремниевых вентилей: диодов, стало крупным научно-техническим достижением в электровозостроении. Началось их внедрение на электровозах и электропоездах. Это всем известные электровозы серии ВЛ60 всех индексов и ВЛ80 С и Т, кроме электровоза ВЛ80Р, о нем расскажу позже. Диоды, конструктивные названия которых – вентиль лавинный (ВЛ), размещаются в выпрямительных установках (ВУ), по одной установке на тележку. После выпрямления в выпрямительных установках ток, для сглаживания пульсаций, проходит через сглаживающий реактор и далее в цепь тягового электродвигателя.
На электровозах ВЛ80 С и Т применяется реостатное торможение (торможение электродвигателями), которое требует установки еще одной выпрямительной установки возбуждения (ВУВ), которая предназначена для выпрямления и плавного регулирования тока в обмотках возбуждения ТЭД. Такое прогрессивное электрическое торможение как рекуперативное (возврат электроэнергии, вырабатываемой ТЭД в генераторном режиме в контактную сеть) для электровозов переменного тока данных конструкций было невыполнимо, до появления выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП), но об этом позже.
Регулирование напряжения тяговых электродвигателей происходит на стороне низшего напряжения тягового трансформатора, путем подключения его обмоток. Для этого на электровозах установлен электрический контроллер главный – ЭКГ8Ж. Данный контроллер имеет 30 кулачковых контакторов без дугогашения и четыре с дугогашением (А, Б, В и Г), кулачковые валы и электродвигатель (сервомотор). Во избежание короткого замыкания при переключении секций устанавливается переходной реактор. Управление осуществляется контроллером машиниста, имеющим 33 позиции, причем продолжительное время можно работать на выделенных (ходовых) позициях, каждая пятая, остальные являются переходными.
Вспоминаю, в целом ЭКГ работают устойчиво, но иногда могут случаться и поломки – сгорает предохранитель сервомотора или частенько валы ЭКГ «загоняет за ноль» и приходится останавливаться, опускать токоприемники, проходить в высоковольтную камеру (ВВК) и вручную скручивать валы ЭКГ специальным ключом, ориентируясь по специальным рискам на лимбе вала. Но вот совершенно новые возможности для электровозов переменного тока открылись после появления управляемых кремниевых вентилей – тиристоров (управляемых диодов).
Эти уникальные полупроводниковые приборы, устанавливаемые в мостовые схемы, могут не только выпрямлять переменный ток, но и регулировать его величину, а также постоянный ток изменять в переменный (инвертирование). Они позволили придать совершенно новые качественные характеристики локомотивам: во-первых, обеспечить плавное регулирование напряжение на ТЭД в режиме тяги; во-вторых, осуществить ранее невозможное для электровозов переменного тока — рекуперативное торможение. Принцип прост – секции трансформатора подключаются к плечам ВИП, через которые регулируется напряжение. Такая схема предусматривает четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения при трех секциях вторичной обмотки тягового трансформатора. Ну а когда применяется электрическое торможение, то постоянный ток, вырабатываемый ТЭД в генераторном режиме, проходит через ВИП процесс инвертирования – преобразования его из постоянного в переменный, что и позволяет возвращать его в контактную сеть уже переменным.
Управляются эти процессы контроллером машиниста (небольшой штурвал или рукоятка на пульте) посредством цепей управления, контроллер имеет четыре зоны регулирования и просто плавно переводится из одной зоны в другую или обратно. Такая бесконтактная, безынерционная электронная система управления электровозом позволяет удобно и быстро изменять режимы движения. Так, переключение до полного напряжения на коллекторах ТЭД, переход на режим выбега и повторный выход на самое высокое напряжение занимает всего 1-2 секунды. Переход из режима тяги в режим рекуперативного торможения и обратно занимает около 9 секунд. И никакого ЭКГ не надо! Все происходит быстро, четко и плавно!
Конструктивно выпрямительно-инверторный преобразователь состоит из блока силового (БС) и блока питания (БП). Остовом для расположения всех элементов является сварной каркас из профильной и листовой стали. Части в каркасе расположены с учетом удобства выполнения монтажа и обслуживания при эксплуатации и теплового режима элементов. В принципе все. Когда мы пересели на электровозы ВЛ65 и ЭП1, 1М в пассажирском движении и 3ЭС5К «Ермак» в грузовом, то сразу почувствовали в полной мере все преимущества данной схемы! Как говорится – небо и земля! Необходимо отметить, что внедрение выпрямительно-инверторных преобразователей дело очень современное. Нет. В 1976 году в СССР началось серийное производство грузовых двухсекционных электровозов переменного тока оснащенных выпрямительно-инверторными преобразователями – ВЛ80Р, а в 1983 году электровозов ВЛ85, ну а затем начался серийный выпуск пассажирских электровозов — ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, ЭП1П и грузовых – 2ЭС5К, 3ЭС5К и 4ЭС5К, объединенных одним названием «Ермак». Все они оборудованы рекуперативным торможением. Вот такой революционный прорыв в электровозостроении совершил полупроводниковый прибор – тиристор!