Электровозы переменного тока — Устройство электровоза (Часть 3)
Итак, теперь углубимся в сложный мир электровозов переменного тока. Электровоз переменного тока («переменник») очень сложная машина. На нем установлено гораздо больше оборудования, он тяжелее и мощнее своего собрата «постоянника» и вот почему.
Особенности переменного электрического тока
Свойства переменного тока существенно отличаются от свойств тока постоянного, мы это знаем из курса физики. Одно из его очень положительных свойств – это возможность трансформации, то есть величину тока можно изменять, увеличивать или уменьшать, так сказать трансформировать, это достигается применением таких электротехнических устройств как трансформаторы тока, которые бывают и понижающими, и повышающими. Именно с применением трансформаторов и производится регулировка напряжения на тяговых электродвигателях электровозов переменного тока.
Но ведь на данных электровозах установлены тяговые электродвигатели (ТЭД) тока постоянного, как же все эти устройства работают в одной цепи? В принципе несложно. Переменный ток перед поступлением на ТЭД после прохождения трансформатора выпрямляется в установках именуемых – выпрямительными (ВУ). В них установлены полупроводниковые выпрямители – диоды, называемые на профессиональном языке «вентили лавинные» (ВЛ), а из курса физики нам конечно известно, что диод обладает свойством «выпрямлять» переменный ток в постоянный (помните р-n переходы, дырочная проводимость и все такое).
Постоянный ток потому и постоянный, что протекает неизменно от плюса к минусу, не меняя ни направления, ничего, его можно изобразить как просто прямую линию. А вот переменный ток ведет себя не так, он постоянно меняет свое направление и амплитуду, если нарисовать его на графике, то мы получим волновую картину. Так вот верх и низ этой самой нарисованной нами волны называются полупериодами, а диод (вентиль) – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении (один полупериод), поэтому выпрямленный ток становиться более-менее аналогичным току постоянному.
Устройство электровозов переменного тока
Крышевое оборудование включает в себя помимо токоприемника – главный выключатель(ГВ), воздушные жалюзи вентиляторов, изоляторы, шины и межсекционные шунты, главные воздушные резервуары, соединяемые посредством трубопроводов.
Силовую цепь электровоза к токоприемнику подключает главный выключатель (ГВ) – пневматический контактор, который также отключает силовую цепь при перегрузках, и ненормальных режимах работы. По габаритам он меньше, чем выключатель быстродействующий (БВ) электровозов постоянного тока, поэтому в отличие от БВ он устанавливается на крыше, а не в кузове.
В кузове установлены:
- сам тяговый трансформатор (как правило посредине), выпрямительные установки (как правило над каждой тележкой),
- выпрямительная установка возбуждения (ВУВ),
- мотор-вентиляторы,
- мотор-компрессоры,
- фазорасщепители,
- реверсоры,
- тормозные переключатели,
- установки для переключения воздуха (УПВ),
- балластные резисторы (для электрического торможения),
- силовые электропневматические и пневматические контакты, контакты цепей управления
и другие аппараты, необходимые для работы электровоза.
Все эти устройства размещаются в высоковольтной камере (ВВК), поделенной на блоки силовых аппаратов (БСА). Низковольтные электрические контакты и реле цепей управления располагаются на панелях, не закрываемых защитными шторками.
Вентиляторов устанавливается больше, чем в постоянниках, от 3 до 4, в грузовых электровозах в секции устанавливается один мотор-компрессор, в односекционных пассажирских два. Тяговый трансформатор – это довольно большая конструкция, он размещается в большом корпусе, внутри которого залито трансформаторное масло, охлаждаемое в контуре охлаждения, путем перегонки масла через наружные секции охлаждения специальным маслонасосом, на крыше трансформатора расположены на изоляторах его главный ввод и выводы.
Вентиляторы охлаждают все ТЭД, выпрямительные установки, балластные резисторы при электрическом торможении. Электродвигатели вентиляторов, мотор-компрессоров и маслонасоса асинхронные, переменного тока, вся эта группа называется – вспомогательные машины.
Ну как, много? Конечно, поэтому и электровоз получается потяжелее и посложнее. А как это все работает? Начнем разбираться.
Как работает электровоз переменного тока
Трансформатор имеет две основных обмотки – высшего и низшего напряжения. На отечественных электровозах регулирование напряжения ТЭД осуществляется на стороне низшего напряжения, то есть на обмотке низшего напряжения. Она делится на секции, которые задействуются в регулировании напряжения. Также на стороне низшего напряжения имеется обмотка собственных нужд, для питания вспомогательных машин и цепей управления.
Уже понятно, что регулирование напряжение осуществляется путем подключения или отключения части вторичной обмотки трансформатора. Но как это делается практически? Это можно осуществить электрическим контроллером (ЭКГ) с контакторами и посредством тиристоров (управляемых диодов), устанавливаемых в выпрямительно-инверторных преобразователях (ВИП), этот очень хороший и прогрессивный способ мы рассмотрим ниже.
А сейчас разберемся как эту регулировку осуществить электромеханическим способом. Практически осуществить это не так-то просто. Предположим, что в начале пуска ЭКГ замкнул один контактор и на ТЭД подводится напряжение небольшой секции вторичной обмотки. Чтобы увеличить напряжение необходимо к этой секции добавить еще одну, выключив первый контактор и включив второй. Но в этом случае ТЭД на определенный период времени оказался бы отключенным от сети, и наш электровоз двигался бы рывками.
Можно эту процедуру сделать и по-другому: не отключать наш первый контактор, включить контактор второй и после этого выключить первый контактор. Но и это не есть хорошо – на некоторое время вторая секция обмотки окажется замкнутой накоротко, что конечно, недопустимо. В связи с этим секции трансформатора переключаются с использованием таких устройств, как переходные реакторы.
В начальном положении начало и конец реактора подключаются к одному выводу трансформатора. Для увеличения напряжения один вывод реактора отсоединяют от первоначального вывода и присоединяют к другому, замыкая тем самым уже большую секцию на переходной реактор. В этом порядке происходят последующие переключение секций трансформатора.
Переходной реактор используется и для увеличения ступеней регулирования напряжения, для этого к каждому выводу обмотки трансформатора подсоединяют два контактора. Но при таком регулировании напряжения контакторы разрывают и замыкают силовые цепи под током. Для этого устанавливаются дополнительные контакторы с дугогашением, а они в свою очередь включаясь и выключаясь в определенной последовательности обеспечивают переключение остальных контакторов при обесточенной цепи.
Чтобы увеличить число ступеней регулирования напряжения на ТЭД при ограниченном числе выводов трансформатора вторичная обмотка делится на две обмотки: нерегулируемую и регулируемую. С 1 по 17 позиции контроллера обе эти обмотки включены встречно. С 17 по 33 позиции для дальнейшего увеличения напряжения обмотки включены согласованно.
Переключения обмоток и секций контакторами с дугогашением и без дугогашения производятся строго в определенной последовательности. Это осуществляется электрическим контроллером главным (ЭКГ8Ж). ЭКГ имеет 30 кулачковых контакторов без дугогашения и четыре с дугогашением (имеют схемное обозначение А; Б; В; Г), кулачковые валы и серводвигатель (сервомотор) – вращающий валы в обоих направлениях.
Сервомотор посредством зубчатых колес, червячного зацепления, зубчатой передачи и так называемого мальтийского механизма (мальтийский крест) приводит во вращение кулачковый вал четырех контакторов с дугогашением (А; Б; В; Г) и через зубчатую передачу посредством второго мальтийского креста кулачковые валы контакторов переключения обмоток и ступеней. Данные валы связываются зубчатой передачей, которая обеспечивает необходимую последовательность переключения секций и обмоток.
Производить перегруппировку ТЭД на переменниках не требуется, все электродвигатели соединены параллельно. ЭКГ8Ж имеет электрообогрев, на его валу установлен лимб с нанесенными на нем позициями и стрелка, указывающая, на какой позиции находятся валы ЭКГ. Это делается для того, чтобы валы можно было скручивать вручную, так как ЭКГ8Ж страдает таким «недугом», как застревание валов ЭКГ при наборе или сбросе позиций в автоматическом режиме или «заскакиванием» за нулевую позицию, после чего схема тяги разберется (сработает ГВ), вот и приходится опускать токоприемник, «рассштариваться», входить в ВВК и скручивать валы вручную специальным ключом.
Управляется вся эта система контроллером машиниста, расположенным в кабине рядом с пультом управления по левую руку от машиниста. В отличие от довольно громоздких контроллеров электровозов постоянного тока, данный контроллер имеет небольшие размеры. На нем установлены две рукоятки – главная и реостатная, На одном валу с главной находится и реверсивная рукоятка, которая вставляется в специальное гнездо над главной рукояткой. Реверсивная рукоятка небольшая, вынимается из своего гнезда и переносится, так сказать, в кармане. Когда реверсивная рукоятка вынута, то главная рукоятка заблокирована и не сдвинется с места, это сделано специально, чтобы предотвратить несанкционированное управление электровозом.
Главная рукоятка имеет положения:
- БВ – быстрое выключение (если необходимо немедленно отключить силовую схему); 0;
- АВ – автоматическое выключение (сброс позиций в авторежиме);
- РВ – ручное выключение (сброс позиций в ручном режиме);
- ФВ – фиксация выключения (подготовка к сбросу позиций);
- ФП – фиксация пуска (подготовка к набору позиций);
- РП – ручной пуск (набор позиций в ручном режиме);
- АП – автоматический пуск (набор позиций в автоматическом режиме).
После постановки рукоятки в положение РП происходит набор ровно одной позиции, после чего рукоятка возвращается в положение ФП. После постановки рукоятки в положение РВ происходит сброс ровно одной позиции ЭКГ, после чего рукоятку возвращают в положение ФВ. Обычно, при движении с уже набранным количеством позиций рукоятку ставят в положение ФВ.
Расположенная сверху рукоятка реверсивная имеет направление вперед и назад, при положении вперед рукояткой подключается ослабление поля: имеющее три ступени: ОП1; ОП2 и ОП3. Рукоятка управления реостатом имеет положения: П – подготовка; ПТ – предварительное торможение; Т – торможение, в этом режиме вращением рукоятки можно задавать необходимую скорость состава, в режиме реостатного торможения. Тормозная сила устанавливается специальным переключателем, установленным на крышке контроллера. Главный контроллер имеет 33 позиции, из них, каждая пятая (5; 9; 13; 17; 21; 25; 29 и 33) являются ходовыми, остальные используются для переключения. Позиции указываются указателем позиций (сельсин), установленным на приборной доске, когда ЭКГ «встает» на ходовую позицию, то на пульте также загораются сигнальные лампочки зеленого цвета, каждая на свою секцию (1; 2; 3 и 4).
Как устроен электровоз — все части: