Электровозы двойного питания — Устройства электровозов (Часть 5)
Как нам известно на наших железных дорогах применяется две системы (рода) тока: постоянный, напряжением 3000 вольт и переменный, напряжением 25000 вольт. Поэтому существуют станции, где происходит смена электровозов разных систем тока. Прибывает на станцию поезд, движущийся с участка на постоянном токе и ведомый, соответственно электровозом постоянного тока, но дальше следует участок с переменным током и электровозы надо менять.
Постоянник отцепляется и на этот путь подается ток переменный, и уже к составу подходит электровоз переменного тока. Без этого, конечно, никак не обойтись, поэтому приходится смириться и с потерями времени на стоянку поездов и другими накладками экономического и технического характера.
Ну а если создать электровоз, который работал бы на обоих системах тока. Да, такие электровозы строились в прошлом и строятся сегодня, называются они электровозами двойного питания, но не в таких количествах как электровозы под один род тока. Познакомимся с ними: электровозы двойного питания ВЛ82 и ВЛ82М, данные локомотивы выпускались с 60-х годов прошлого века, работали и работают с грузовыми и пассажирскими поездами. В настоящее время водит пассажирские поезда по нашим дорогам и еще один современный «двойник»: ЭП20, но о нем я расскажу чуть позже.
Электровоз ВЛ82М
Рассмотрим электровоз ВЛ82М, как он устроен и работает? Данный электровоз имеет унифицированный кузов, как и другие грузовые электровозы, он двухсекционный, восьмиосный. Этот электровоз представляет собой обычный электровоз постоянного тока, но на нем дополнительно установлены устройства, необходимые для работы на переменном токе:
- тяговый трансформатор,
- выпрямительные установки,
- главный выключатель (ГВ),
- больше мотор-вентиляторов (четыре),
- сглаживающие реакторы,
- тяговые электродвигатели постоянного тока.
Все переписывать не буду, ведь устройство электровозов постоянного и переменного тока мы рассмотрели в предыдущих статьях. Эти машины оборудованы реостатным торможением. ТЭД соединяются последовательно, последовательно-параллельно и последовательно при работе на обоих системах тока. Переход осуществляется так же, как и на электровозах постоянного тока. Регулирование напряжения осуществляется пусковыми реостатами. Контроллер машиниста унифицированный, имеет три рукоятки: реверсивную (положения: вперед, 0, назад), главную (39 позиций, из них две ходовые: 25 и 38) и режимную (положения торможения, полного поля и четыре ступени ослабления поля). Вот в принципе и все, что, можно сказать.
Очень важная конструктивная особенность «двойников» — они могут проходить разделы питания двух систем тока без остановки, прямо на перегонах. Конечно у них имеются и существенные недостатки: большой вес, сложность конструкции и управление, более дорогое техническое содержание, чем у электровозов одного рода тока. Тем не менее они эксплуатируются и сегодня.
Асинхронные тяговые электродвигатели
Но электровозостроение не стоит на месте, и на наши железные дороги вышел пассажирский электровоз двойного питания ЭП20 «Олимп». Давайте немного прервем повествование об этой машине. Коснемся немного асинхронных тяговых электродвигателей. Конструкторы локомотивов постоянно пытались создать привод с самым простым и дешевым электродвигателем – асинхронным. И вот почему.
Устройство данного двигателя несложно. Основа двигателя: неподвижный статор и вращающийся ротор. Ротор замкнут накоротко. Сердечники и ротора, и статора собираются из листов электротехнической стали. Обмотка ротора собирается из медных стержней, которые располагаются в пазах сердечника и замыкаются с торцов кольцами. В таком виде она представляет из себя, так называемое, «беличье колесо», но белка там конечно не бегает по замкнутому кругу.
В пазы статора укладываются три обмотки, каждая из которых сдвинута относительно другой на 120 градусов. Когда обмотки подключаются в трехфазную сеть, по каждой из них проходит переменный ток, таким образом создается три переменных магнитных потока. Складываясь, эти потоки создают результирующий вращающийся магнитный поток. Частота его вращения составляет 3000 оборотов в минуту при одной паре полюсов на каждую фазу. Этот поток статора двигателя пересекает обмотку ротора, наводя тем самым в ней э.д.с. Под действием наведенной э.д.с. по обмотке ротора проходит ток, который создает собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют друг с другом, в результате этого ротор вращается.
Частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного потока статора. Если бы частоты вращения совпали, то силовые линии магнитного поля не пересекали бы обмотку ротора и он, естественно, остановился бы. Вот так вкратце работает асинхронный электродвигатель. Просто и дешево, но не так оказывается просто на деле.
Основная сложность в применении асинхронных электродвигателей
Частоту вращения ротора можно регулировать только изменением частоты питающего тока. В этом и состоял камень преткновения в деле асинхронного электропривода. Ранее для этой цели применялись электромашинные преобразователи, которые были тяжелыми и громоздкими, и дальше экспериментальных локомотивов в единичном экземпляре дело не двигалось. Но вот появился наш старый знакомый – тиристор, его появление проложило путь к созданию легкого и надежного преобразователя частоты, помимо выпрямительно-инверторного преобразователя.
Это тяговый преобразователь. Тяговый преобразователь преобразует и постоянный, и переменный ток промышленной частотой 50 Гц в трехфазный, так необходимый для питания асинхронных ТЭД, регулируя его частоту. Но это еще не все, он преобразует трехфазный переменный ток в постоянный или однофазный переменный в режиме рекуперативного торможения. Вот так, одним махом, все и сразу. Именно в электровозе двойного питания с асинхронными тяговыми электродвигателями ЭП20 и воплотились все возможности тяговых преобразователей. Электровоз выпускается серийно и эксплуатируется на многих дорогах нашей страны.
Общие системы в устройствах всех электровозов
На более современных машинах установлена система для экономии электроэнергии, путем уменьшения оборотов вращения мотор-вентиляторов – ПЧФ. Учет электроэнергии производится по электросчетчикам, установленным в машинном отделении, для каждого режима отдельный счетчик: тяга, рекуперация и отопление поезда. Ну а самая главная из них – пневматическая.
Пневматическая система
Без воздуха электровоз изначально просто куча металла. Именно сжатый воздух дает электровозу путевку жизнь. Вырабатывается он в компрессорах, путем сжатия поршнями в рабочих цилиндрах. Далее воздух по трубопроводам поступает в главные резервуары (ГР), где поддерживается рабочее давление 9 атмосфер. Трубопроводы закручиваются, в так называемые «змеевики», чтобы горячий воздух из компрессора охладился.
Цилиндры компрессора смазываются маслом, воздух увлажняется, в трубопроводы и ГР поступает много, так называемой, эмульсии, ее необходимо периодически удалять. В пневмосистемах установлены уловители этой самой эмульсионной смеси, но трубопроводы и ГР продуваются через электромагнитные вентили, которые открывают доступ воздуха наружу, в атмосферу. Вентили имеют электрообогрев и включаются с пульта машиниста соответствующими кнопками, можно продуть систему и «вручную», нажав кнопку на самом вентиле, которые находятся в машинном отделении. Это очень важно, особенно в зимнее время, если образуется ледяная пробка в магистрали цепей управления или, что еще хуже, в тормозной магистрали, то последствия могут быть очень нехорошими, как для управления электровозом, так и для безопасности движения всего состава в целом.
Из главных резервуаров воздух поступает в три магистрали:
- для питания цепей управления,
- тормозную и
- питательную.
Без воздуха в цепях управления невозможно поднять токоприемник, включить ГВ или БВ, подключить ТЭД к силовой цепи (линейные контакторы являются пневматическими), развернуть реверсоры, подать под колеса песок, подать звуковой сигнал, в общем все пневматические, электропневматические контакторы, вентили и т.д., работают с применением сжатого воздуха, именно посредством их происходят все процессы в силовых цепях и цепях управления. Давление воздуха в цепях управления поддерживается обычно в интервале: 4,2 – 5 атмосфер.
В питательной магистрали и ГР поддерживается давление 9 атмосфер, ведь непосредственно из нее питаются две другие магистрали. Ну а тормозная магистраль необходима для работы тормозов в самом электровозе и в составе.
Устройство тормозов электровоза
Непосредственно тормозная магистраль электровоза управляется краном вспомогательного тормоза усл. № 254 («свой»). Он имеет шесть положений, через него происходит наполнение тормозных цилиндров локомотива, из цилиндров выходят штоки, которые посредством рычажной передачи прижимают тормозные колодки к бандажам.
Тормозная магистраль поезда управляется основным краном машиниста, усл. № 395, он также имеет шесть положений, но я не буду сейчас вдаваться в эти подробности, можем поговорить об этом позже, если появится интерес и желание. Тормозная и питательная магистраль имеют выход наружу, посредством резиновых тормозных рукавов, со специальными соединительными головками («ракушками»), которые крепятся к метельнику (находится в нижней части лобовины локомотива), посредством кронштейнов.
При прицепке к составу ракушки тормозных рукавов локомотива и поезда соединяются, образуя единую тормозную магистраль. Давление в тормозной магистрали регулируется в пределах от 4,8 до 5.5 атмосфер, а иногда и выше. Но это давление строго регламентируется Инструкцией по обслуживанию и управлению автотормозами, давление для каждого вида составов регламентировано определенное, устанавливается оно самим машинистом, специальным редуктором, расположенным на кране машиниста.
Давления в тормозной магистрали, питательной магистрали (ГР) контролируется посредством манометров, расположенных на пульте машиниста. Давление в цепях управления контролируется манометром, который устанавливается на пульте помощника машиниста. Давление воздуха в ГР контролируется автоматически, посредством датчика-контактора АК-11Б, расположенного в кабине машиниста. При падении давления он своим контактом включает компрессор, а при достижении давления в 9 атмосфер, отключит компрессор.
Системы безопасности и контроля
Все электровозы оборудованы радиосвязью КВ и УКВ диапазонов. На крышах устанавливаются антенны, электрическими дросселями производится защита от радиопомех.
На электровозах устанавливаются приборы регистрации и безопасности:
Механический («деревянный») скоростемер 3СЛ2М, с механической системой регистрации параметров поездки на бумажной ленте, но сейчас эти устройства уже уходят в прошлое:
Автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного действия (АЛСН) с локомотивным светофором, дублирующим показание светофоров:
Комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У), показывающее и скорость и параметры движения, сигналы путевых напольных светофоров, на него устанавливается в специальное гнездо кассета регистрации всех параметров движения:
Система автоматического управления тормозами (САУТ) различных модификаций:
Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ) с наручными часами на руке машиниста:
Все системы замыкаются на электропневматический клапан ЭПК-150, установленный в кабине, как правило немного сзади и справа от машиниста,
Включается он поворотом ключа, я уже немного писал об этом. При любых ненормальных действиях локомотивной бригады (превышение установленной скорости движения, скорости следования на желтый сигнал, скорости следования на красный сигнал, срабатывании САУТ и т.д.). ЭПК подаст громкий свисток, который можно прекратить нажатием рукояток бдительности (РБ), чем эта бдительность и подтверждается. Ну а если локомотивная бригада молчит, то происходит срыв ЭПК и через его клапан произойдет выход воздуха из тормозной магистрали в атмосферу темпом экстренной разрядки, соответственно весь состав будет экстренно тормозить.
Эргономика кабин управления
Кабины электровозов оборудованы печками электрообогрева, расположенными под ногами у машиниста и помощника, а одна устанавливается за спиной машиниста, многоступенчатыми электрокалориферами обогрева лобовых стекол.
Стекла очищаются стеклоочсчтителями («дворниками») на пневматическом или электрическом приводе. На пульте машиниста и помощника удобно расположены все приборы и органы управления, лампочки или светодиоды сигнализации. Приборы подсвечиваются, уровень подсветки можно регулировать. Честно сказать, я пишу это о современных электровозах, машины постарше имеют все необходимое для комфортной работы, но отстают в некоторых новациях по оборудованию кабин.
На потолках прикрепляются светильники зеленого огня. Кресла удобные, их можно регулировать индивидуально. На электровозах, где применяется микропроцессорная система управления (МСУД) на пультах машиниста устанавливаются мониторы, которые показывают всю необходимую информацию, но часть аналоговых приборов остается (см. выше).
Прожектор локомотивов имеет два режима освещения: тускло и ярко, переключаемые машинистом на пульте. Буферные фонари путь не освещают, а служат для сигнализирования об определенных условиях движения, что строго регламентируется Инструкцией по сигнализации.
Еще в кабинах устанавливаются электроплитки и розетки, чтобы, например, вскипятить чай. В общем, тепло, светло и мухи не кусают. Все создано для безопасной и комфортной работы локомотивной бригады. На электровозах обязательно присутствуют санузлы, с умывальниками, оборудованными устройствами подогрева воды. Повторюсь, все это в идеале. На «Ермаках» и других современных машинах санузлы имеют отдельное закрываемое помещение (в бустерной секции), со всеми удобствами и даже большим зеркалом.
Противопожарная система
Очень важная система – противопожарная. Более ранние электровозы снабжались углекислотными огнетушителями (по утвержденным нормам) и ящиками с сухим песком. Контролировалась пожарная безопасность визуально и во время движения (помощником машиниста), и на стоянке, путем прохода по машинным отделениям. Но электровозы работают по системе многих единиц, а до недавнего времени на прицепную секцию пройти в пути следования было нельзя (пока не появились проходные – бустерные), поэтому можно было возгорание и пропустить.
Сейчас на электровозах, помимо углекислотных огнетушителей и ящиков с песком (их никто не отменял), применяются современные системы пожарной сигнализации и пожаротушения, с выводом сигнализации на пульт машиниста. Тушение осуществляется автоматически, либо огнетушащим порошком, либо специальной газовой аэрозольной смесью, расположенной в специальных патронах (МАФах), приводящихся в действие от электрического сигнала.
В этом случае в кабине загорается табло: «ГАЗ, не входить», а локомотивная бригада покидает электровоз через боковые окна кабины, для этого над ними под крышками, расположены спасательные веревки. Так вот.
Осевые формулы
Немного об осевых формулах. Электровозы бывают шестиосные, с расположением ТЭД в трехосных тележках, или по три двухосных тележки на секцию или электровоз (ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ЭП20 и т.д.). Либо две двухосные тележки на секцию или электровоз. Грузовые электровозы, как правило, исполняются в двухсекционном варианте, трехсекционном или четырехсекционном (4ЭС5К). Пассажирские в односекционном с двумя кабинами управления с обоих концов кузова.
Электровозостроительные предприятия
Электровозы строились и во времена СССР и сейчас электровозостроительными заводами: Новочеркасским (НЭВЗ), Тбилисским (ТЭВЗ), который по понятным причинам мы потеряли. Данными заводами были спроектированы и созданы электровозы, которые наиболее широко работали и работают на отечественных железных дорогах: постоянники – ВЛ8; ВЛ10; ВЛ10У; ВЛ11; ВЛ15; 2ЭС4К и 3ЭС4К «Дончак»; переменники – ВЛ60 (пассажирская модификация ВЛ60 п/к), ВЛ80Т, С, Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 1М, 1П, «Ермаки» — Э5К, 2ЭС5К, 3ЭС5К, 4ЭС5К, электровозы двойного питания – ВЛ82, ВЛ82М и ЭП20 «Олимп». Я не буду показывать здесь экспериментальные электровозы, созданные в единственном или нескольких экземплярах, им на нашем сайте посвящены отдельные статьи, надо просто поискать. С потерей ТЭВЗа в России появились новые электровозостроительные заводы, которые отметились очень мощными грузовыми серийными электровозами, обоих систем тока. Это машиностроительный концерн «Синара – Уральские локомотивы», с заводом, расположенным в городе Верхняя Пышма на Урале. Его продукцию составляют такие электровозы постоянного тока, как 2ЭС6 и 2ЭС10 «Гранит», на котором установлены асинхронные тяговые электродвигатели.
Теперь влился в дружную семью электровозостроительных заводов и наш лидер по производству тепловозов – Коломенский тепловозостроительный завод. Им на базе тепловоза ТЭП 70 БС (кузов, тележки) создан пассажирский электровоз постоянного тока ЭП2К, надо отметить, что это первый отечественный пассажирский электровоз постоянного тока, да это так. Если пассажирские поезда на переменном токе водил ВЛ60 П/К, то всю нагрузку по вождению пассажирских поездов в СССР и по настоящее время приняли на себя наши собратья из ЧССР – «Чехи». Это замечательное семейство пассажирских электровозов постоянного и переменного тока строилось на заводах «Шкода» в Праге (Чехославакия), жалко, что теперь это два разных государства. Эти электровозы достойны уважения, красивые, мощные, скоростные и надежные. Они и по сей день водят пассажирские поезда по железным дорогам России. Практически всем знакома эта марка – «ЧС», выведенная железными буквами на передней части этих электровозов. Познакомимся с ними, постоянники – ЧС1; ЧС2; ЧС2Т; ЧС3; ЧС6; ЧС7; ЧС200 (ЧС3, ЧС6, ЧС7, ЧС200 выполнены двухсекционными); переменники – ЧС4; ЧС4Т и двухсекционный ЧС8.
Помимо электровозов в Чехословакии строились для наших дорог и маневровые, всем известные, тепловозы с электрической передачей: ЧМЭ2; ЧМЭ3; ЧМЭ3Т и ЧМЭ5, они и сейчас производят маневровую работу на многих дорогах России. Да что там говорить, даже на узкоколейных наших железных дорогах работал «чех» — узкоколейный тепловоз ТУ3. Хотя это тепловозное отступление от электровозной темы я сделал специально, для расширения кругозора читателей.
На этом я завершаю тему электровозов, надеюсь, что мое повествование было развернутым и понятным. Теперь путешествуя по железным дорогам нашей великой России, вы нет, нет, да и посмотрите на электровоз, ведущий ваш поезд и уже с определенным пониманием отнесетесь к тому, почему и как вы едете по стальной магистрали.
Как устроен электровоз — все части: