Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
- Вступление
- Что такое переход
- Переход шунтированием на примере ВЛ8 и ВЛ10
- Мостовой переход на примере ЭР2
- Вентильный переход на примере ВЛ11, 2ЭС6 и ЭП2Д
- Послесловие — тепловозы
...Помощник машиниста пришёл в нерабочую кабину с противопожарным осмотром. Нерабочей она была во всех смыслах — вели поезд они из другой кабины, а эта вообще была разграблена, так как секция была вцеплена в середину «тройника».
Ни кресел, ни печей, ни тормозных кранов... Лишь чудом сохранившийся одинокий амперметр стоял на полдень и шажками двигался вправо. Внезапно, словно часы машины времени, он рухнул за крайнюю метку «750», а потом на ноль. Электровоз дёрнулся и затих...
Двадцать минут назад мимо грузового проплыл красивый пассажирский — бело-сине-зелёный Ташкент — СПб с синим ЧС7, порадовав глаз среди серости подмосковного мокрого снега, и грузовой отправился. Машинист уже успел вытянуть хвост со станции, набрать положенные 50 км/ч и проверить тормоза, сейчас вновь разгонялся после пробы. И вот сработала защита! Предчувствуя интересные упражнения, если не поможет поочерёдное отключение двигателей с пульта, помощник прибежал в рабочую кабину. Пока бежал — заметил, что двигатели вновь завыли.
Войдя, он застал идиллическую картину — машинист левой рукой прощёлкивал позиции контроллера, правой же попивал кофе. На пульте горели только зелёные лампы, стрелки трёх амперметров стояли параллельно словно танковые пушки на параде. Довершил картину взгляд машиниста через плечо, говорящий "а чё эт вы здесь делаете?"
— Что было? — спросил помощник.
— А... Это я задумался, проскочил на параллель...
— Я уж думал — коротнуло, в движки влаги намело!
Командир, ничего не ответив, невозмутимо вернулся к своему кофе. Порой он мечтал о нём, когда больше десяти лет назад лежал в промокшем ватном спальнике среди гор Северного Кавказа, куда его бросила большая беда — попытка одной из республик обрести независимость.
На фоне тех воспоминаний сработка БВ казалась не проблемой и даже не происшествием, пусть бы даже он сработал не от неправильного движения рукой, а по делу. Привычный к этим делам мозжечок, перебирая зубцы на контроллере и ощутив упор кривого зубца 21-й позиции, без лишних раздумий нажал на рукоятке кнопку и перевёл двигатели на параллельное соединение. А на этой скорости рано — двигатели подавились лишним напряжением и сработала защита.
Навстречу проехала старушка ЭР2 с широкими крыльями на передке — в последние годы редкий зверь на Большой московской окружной, БМО. Машинист толкнул «кофемолку» в третье положение, под вагонами захлопали реостатные контроллеры, состав неощутимо перешёл на «параллель», но внезапно на пульте вспыхнула та самая заветная лампа «БВ» и поезд слегка запнулся. Ерунда, если что — то со здешними графиками мы и на одном вагоне доедем...
Следующая платформа далеко. Сброс контроллера на ноль, под полом моторного вагона отбило несколько ударов «сердце» КСП, жмём кнопку «Включение БВ» — лампа погасла, снова набор... Не будем борзеть, остановимся на 2-й позиции. Везёт ласточка, защита не срабатывает — хватит с нас и последовательного. «Параллель», которую дают 3-е с 4-м, трогать не будем — видимо, один из двигателей напился влаги противного январского дня и почти два киловольта «параллели» переваривать отказывается.
А грузовой тем временем набрал почти 50 км/ч. Пора и ему «параллель». Треск возвращаемой на ноль тормозной рукоятки, щелчок главной, на пульте мигнула лампа контроля перехода — «КП», приборы отчеканили рост тока. 22-я позиция, теперь на каждую тележку, на каждую пару двигателей рвутся почти четыре тысячи вольт — именно столько сейчас было на контактном проводе. Пока напор тока сдерживается реостатом, но к 37-й позиции двигатели встанут под полное напряжение.
ЧТО ТАКОЕ ПЕРЕХОД
Как на типичном электровозе установлены двигатели — показано в предыдущей статье:
Итак, переходы. В пятой статье было рассказано, что на подвижном составе постоянного тока с устаревшими, но непобеждёнными коллекторными двигателями для регулирования двигатели переключаются с соединения на соединение — то в «гирлянду» (последовательно), то в «люстру» (параллельно):
Есть это и на некоторых тепловозах — ТЭ2, ТЭРА1, о чём ниже. Вроде бы всё просто — выключил двигатели, переключил, включил снова. Но нет. Во-первых, при отключении-включении редукторы испытывают удар — там же ни сцепления, ни гидротрансформатора, ни чего-то подобного, чем, например, смягчают переключение передач в автомобиле:
Во-вторых, скачки́ силы тяги — это реакции в составе, а если поезд пассажирский, то могут быть заметны и пассажирам. В-третьих, пусть это и мелочь, но резкие скачки нагрузки — это ещё и скачки напряжения в контактной сети, то есть они будут заметны «соседям». Но главное — удары в редукторах. Поэтому важно сделать переход безразрывным, хотя бы частично — что и было сделано уже на первых электровозах вроде ВЛ19, а позже, на чешских Škoda и наших ВЛ11, был сделан полностью безразрывный переход. О ВЛ11 кратко рассказано на канале «ПОД СТУК»:
ПЕРЕХОД ШУНТИРОВАНИЕМ
Для начала — самый простой, применённый ещё на ВЛ19 и доживший до ВЛ10 переход шунтированием. ВЛ8 и ВЛ10 по тележкам, кузову и двигателям совершенно разные, но по схеме — 1:1, по аппаратам во многом похожи:
У них, как мы помним, 3 соединения — сериесное (С), сериес-параллель (СП) и параллель (П). Переходы С-СП и СП-П сделаны почти одинаково и выполняются похожими аппаратами — контроллерами ПКГ-4 и ПКГ-6. Контроллер — силовой аппарат, в котором от одного привода приводятся сразу несколько контактов, об этом рассказано в статье 3 (если не видите ниже транспаранта, то нажмите на цветной текст — статья откроется):
Начнём с первого перехода — он чуть проще, поэтому на переключателе ПКГ-4 всего 4 пары силовых контактов (4 элемента). На сериесном ток проходит через двигатели первого кузова (1...4), контакты 32-0 ПКГ-4 и двигатели второго кузова (5...8), схема чуть ниже.
И реостат, и соединения двигателей, как мы помним, переключаются одной рукояткой контроллера машиниста — главной. На ВЛ8 и ВЛ10 сериесное соединение с 1-й по 16-ю позицию, при переводе рукоятки на 17-ю электровоз перейдёт на СП. Начинается переход с того, что в схему включается пусковой реостат, чтобы смягчить переключение и после перехода уже быть введённым. Для простоты показаны только якоря двигателей:
После ввода реостата начинается сам переход. Замыкается элемент 33-0 переключателя и двигатели первого кузова через него подключаются к минусу — переходят на СП. Двигатели второго кузова оказываются зашунтированными через контакты 33-0 и свою половину реостата.
При этом они не просто отключаются, а переходят в режим реостатного торможения с самовозбуждением, так как замкнуты на реостат и полюса ещё намагничены. Поэтому в момент перехода во втором кузове происходит весьма сильный рывок, заметный и в первом, а иногда и в составе. К счастью, этот режим длится доли секунды и кончается с размыканием контактов 32-0. О торможении с самовозбуждением рассказано «на двадцать первой кнопке»:
И оканчивается переход включением двигателей 5...8 на сериес-параллельное соединение — замыкаются элементы 30-0 и 31-0 ПКГ-4. Два их поставлено для большей надёжности, особенно при обратном переходе — если он будет один и не разомкнётся (либо будет перекрыт дугой), то произойдёт короткое замыкание по такой цепи: плюс — 30-0 — 32-0 — 33-0 — минус. Двойной разрыв это исключает.
Далее перемещением главной рукоятки до 27-й позиции машинист ступенями выведет реостат — разгонит поезд на СП. За реостатом ещё есть уравнительное соединение для более плавного набора, но о нём в другой раз, при более подробном разборе «десятки». При переводе рукоятки на 28-ю позицию отработают ПКГ-6 и электровоз перейдёт на параллельное соединение двигателей. Переход занимает где-то секунду.
ПКГ-4 на электровозе один, стоит лишь в первом кузове и обозначен как КСП0 (потому и контакты имеют в обозначении -0 — 30-0, 32-0). Контакторных элементов четыре — отсюда и цифра 4 в названии, а вот на ПКГ-6 их уже 6. ПКГ-6 в каждом кузове свой, в схеме они обозначены как КСПI и КСПII и имеют в обозначении -1, -2. Вот для примера схема второго кузова:
Здесь контакты КСПII подчёркнуты тонкими красными линиями, якоря и обмотки возбуждения ТЭД — синими, а почти всё «лишнее» убрано — цепи электрического торможения, ослабления поля... Об ослаблении поля, оно же ослабление возбуждения — в статье 7:
Элементов 6, так как схема перехода СП-П чуть сложнее — тоже шунтированием, но там задействован не только пусковой реостат, а ещё специальные переходные сопротивления (здесь оно подчёркнуто жирной красной линией, Р83-Р84) — для их коммутации и стоят два «лишних» элемента, 23-2 и 24-2.
Пока хватит о переходе шунтированием — и так уже ясно, что переход это плохой. Происходит рывок примерно в 2/3 силы тяги, а шунтируемая группа двигателей испытывает сильный крутильный удар — примерно как на «механике» бросить газ, секунду потормозить двигателем, переключиться, бросив сцепление, и снова резко по газа́м...
МОСТОВОЙ ПЕРЕХОД
Для перехода на «параллель» переход шунтированием применён не только на старых ВЛах, но и, например, на ЧС2 и ЧС2Т. Но кроме перехода шунтированием на них применён мостовой переход — для перехода с сериесного на СП на «двойках» с номера 305 (серия Škoda 53E) и более поздних машинах.
Он же использован на вагонах метро типа Е, 81-717, электропоездах ЭР1, ЭР2... Раз ЭР2 упомянут в начале статьи — то по его схеме и разберём, она очень простая — нет третьего соединения, как на ЧС2, нет электрического тормоза, как на Е:
Двигатели снова подчёркнуты синим, главные сейчас аппараты — красным, зелёная линия — путь тока на сериесном. Для начала — немного об управлении электропоездом. Если на электровозе машинист произвольно выбирает режим работы схемы, может переключать соединения «вверх» и «вниз» и ориентируется по току двигателей, то на электропоезде переключения идут только «вверх», автоматически под контролем реле ускорения — РУ, оно внизу справа.
Ступени реостата и ослабления возбуждения переключает контроллер силовой пневматический — КСП, его элементы на схеме обозначены цифрами от 1 до 12. Очень похожий реостатный контроллер (РК), к слову, у вагонов метро, только у ЭР2 он с пневмоприводом, а у Е-образных — с электрическим серводвигателем:
Но у вагонов метро ход РК неслышен, а у электропоездов стук пневмопривода КСП в салоне моторного вагона прослушивается хорошо, при непрерывном ходе напоминает сердечные тоны. Привод работает лишь в одну сторону, поэтому если КСП сдвинулся с места — то он может вернуться на первую позицию лишь «кругом». Это позволило серьёзно его упростить — все элементы выполнены без дугогашения. Дугу рвут лишь отдельно стоящие контакторы ЛК, П, М.
Непрерывно вращается КСП в чаще всего в двух случаях: если машинист чуть «толкнулся» (дал одну-две позиции и сбросился на ноль) либо если он остановился электрическим торможением — регулирование тормозной силы тоже даёт КСП. Правда, это уже относится к машинам с электротормозом — ЭР2Т, ЭД4М.
Рукоятка контроллера машиниста имеет пять ходовых положений — маневровое (М) и 1...4. Если поставить рукоятку из нулевого в М — то просто включатся линейный контактор ЛК1-2, мостовой контактор М и ток потечёт по зелёной линии.
Электропоезд плавно покатится на последовательном соединении с полностью введённым реостатом. Если двинуть «кофемолку» в первое положение — КСП начнёт вращаться, пока ток не достигнет 215 А. При этом токе притянется якорь реле ускорения и КСП остановится. Как только по мере разгона ток упадёт до 175 А — якорь отпадёт и РУ «пустит» КСП на одну позицию вперёд.
Так разгон и будет идти с током 175...215 А, пока КСП не дойдёт до 9-й позиции — полностью выйдет реостат. Если поставить рукоятку в положение 2 — то КСП дойдёт до 11-й позиции, включится ослабление возбуждения.
Зачем это автоматизировано — понятно, за токами всех вагонов машинист следить не может, да и режимы ведения электропоездов так резко не меняются, как при локомотивной тяге — масса состава всегда примерно одна и та же, достаточно одного определённого тока для разгона.
А если поставить «кофемолку» в третье положение — схема перейдёт на параллельное соединение двигателей:
Схема моста, эдакий электрический аналог весов Фемиды, часто применяется в электроавтоматике — например, в управлении закрылками и крылом изменяемой стреловидности (где оно есть) Су-24, Ту-22М, Ту-134, Ту-154:
Здесь же мост выстроен в силовой цепи. Суть в том, что на реостате при определённом токе будет определённое падение напряжения, а двигатели при работе вырабатывают противоЭДС. При определённом соотношении скорости и напряжения в сети падение напряжения на реостате будет равно противоЭДС двигателей, то есть, например, в сети 3000 В — на реостате будет падать 1500 В и на паре двигателей 1500 В.
До перехода, на безреостатной позиции, на каждой паре двигателей как раз падало по 1500 В, поэтому после включения контакторов П1 и П2, когда образуются две параллельных цепи, ток в каждой из них будет таким же, какой был в общей цепи до перехода.
А если немного «не угадали»?
То падения напряжения будут разными, напряжения по разные стороны мостового контактора — тоже разными, через контактор потечёт так называемый уравнительный ток. Естественно, при включении П1, П2, и при отключении М в этом случае будут рывки, но всё равно намного меньше, чем при переходе шунтированием.
Взять тот же ЧС7 — это электровоз, переход там может происходить при любой скорости и в обе стороны (на ЭР2, как мы помним, возможен лишь набор, переход С-П, а сброс — только через ноль), поэтому там мостовой контактор мощный, рассчитанный на большой уравнительный ток. Здесь к нему тянется рука:
Как видим, схема хорошая, но не без недостатков, поэтому на отечественных серийных электровозах она была применена лишь в 60-х годах на ВЛ82 и впоследствии на его потомке ВЛ82М. А когда в 70-х создавался ВЛ11 — уже были силовые полупроводниковые диоды, позволившие сделать ещё один шаг вперёд.
А на ЭР2Т — казалось бы, с лица неотличимой от ЭР2 — от перехода отказались, новые двигатели рассчитаны на постоянную работу на последовательном соединении с глубоким ослаблением поля — до 18 % против 50 % у ЭР2. И на всех потомках ЭР2Т это сохранилось — ЭТ2М, ЭД4М, на схеме выше видно, что они соединены «жёстко». Вернулись к переходу лишь недавно, на ЭП2Д. Но уже к вентильному.
ВЕНТИЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД
Вроде ВЛ11, с которого начался рассказ — электровоз постоянного тока, всё выпрямлено на подстанции, а откроешь силовую схему — там зачем-то диоды:
Впрочем, одним старьём жив не будешь, в схеме 2ЭС6 то же самое:
Обратите внимание, как характерно вписан в схему контактор, включённый параллельно этим диодам — контакты 4 группового переключателя ПкГ на ВЛ11 и контактор К30 на 2ЭС6. Он словно соединяет параллельные ветви двигателей по диагонали, как контакты 25-1, 25-2, 32-0 на «десятке» или М на ЭР2.
Эти диоды — переходные или запирающие. Если в схемах перехода шунтированием и мостового короткое замыкание исключают резисторы, то в вентильном переходе резисторы вовсе не участвуют, нужны лишь диоды. Вот как выглядит переход с сериес-параллельного на параллельное соединение на 2ЭС6:
Как видим, диод почти всё время бездействует, лишь в начале перехода вводится в схему, доли секунды пропускает ток СП-соединения, потом доли секунды держит «удар в морду» сетевым напряжением, которое через К28, К29, диод и К33 хочет уйти сразу в землю — и выводится из схемы выключением К29.
Так как переход длится недолго, примерно ту же секунду, что на ВЛ10 (всё зависит от быстродействия ПКГ на ВЛ10, ВЛ11 и контакторов на 2ЭС6, ведь последовательность нарушать нельзя) — диоды стоят на небольших радиаторах и обдува не имеют. Вот, например, на ВЛ10К — Челябинский завод убирал ПКГ и делал вентильный переход:
Этот переход применён и на ЭП2К, и на 2ЭС4К, и на уже ушедшем ЧС2К. Даже некоторая часть ЧС2Т была доработана — убран неиспользуемый электрический тормоз и внедрён вентильный переход. Он же использован на потомках ВЛ11 — ВЛ11М и ВЛ15, но только на ВЛ11М переходы полноценные.
Ведь ВЛ11 может работать в 2, 3 или 4 секции, а выстраивать схему перехода С-СП, чтобы она работала и в 2-, и 3-секционном электровозе, весьма сложно — поэтому конструкторы упростили себе задачу, можно выбрать движение либо на С, либо на СП и П. Для этого переключается «раздатка» — если реверсивная рукоятка поставлена в «СМ» (сериесное моторное), то при наборе до 21-й позиции будет последовательное соединение всех 8 либо 12 двигателей, если в «М» — то до 21-й будет СП, далее до 37-й будет «параллель».
Переключение обеспечивают переключатели ПкС, не имеющие дугогашения — по конструкции они точно как реверсоры. На ВЛ11М сделаны полноценные переходы, а на 12-осном ВЛ15 последовательное соединение всех 12 двигателей делается так же, как на ВЛ11 — реверсивной рукояткой.
В обычном моторном режиме доступны соединения как на 6-осной машине — 6х1, 3х2 и 2х3, с полноценными переходами. К слову, такой порядок соединений даже удачнее, чем в 3-секционном ВЛ11 с теми же 12-ю двигателями — между СП и П на ВЛ15 (3 и 2 двигателя на ветвь) разрыв меньше, чем на ВЛ11 (4 и 2 двигателя на ветвь). В ряде случаев там, где на ВЛ10 или 11 нужна «параллель», 15-й обходится СП.
А что ж упомянутая в предыдущем параграфе ЭП2Д? Только схема с подчёркнутыми якорями, обмотками возбуждения и диодами, без комментариев:
ПОСЛЕСЛОВИЕ — ТЕПЛОВОЗЫ
Вроде на тепловозах генератор выдаёт сразу нужное двигателям напряжение и переходы им ни к чему:
Однако на первых тепловозах электромашины ещё были не очень, особенно самая нагруженная — главный генератор, большие токи выдать не могли и там использовалась перегруппировка. Поэтому на ТЭ1, ТЭМ1, ТЭ2 есть переключение с сериесного на СП:
Уже на ТЭМ2 и ТЭ3 от него отказались:
Всё просто: с ростом скорости и напряжения включается реле перехода, снимается возбуждение генератора (выключается КВ), включается СП2, закорачивая двигатели 4...6, потом отключается С, включается СП1 и вновь появляется возбуждение. Грубое подобие мостового перехода.
А вот на тепловозе с электропередачей российско-американском ТЭРА1, созданном на ходовой части ТЭМ7, всё куда интереснее — с параллельного соединения на последовательное переключаются половины выпрямительной установки.
Именно в таком порядке, ведь раньше мы говорили о переключении потребителей, а чтобы повысить напряжение на потребителях — нужно их переключить с последовательного соединения на параллельное. С источниками всё наоборот — для повышения напряжения на потребителях нужно источники соединить последовательно, как два аккумулятора на 12 В на грузовиках с сетью на 24 В:
Если контактор К разомкнут, то мосты ТВ1 и ТВ2 работают параллельно: от ТВ1 ток проходит двигатели и через диод Д1 возвращается к мосту, от ТВ2 ток проходит Д2, двигатели и возвращается к мосту. Если включается контактор К — то напряжение соединённых последовательно мостов запирает диоды Д1 и Д2 и ток течёт по цепи ТВ1 — двигатели — ТВ2 — К.
То есть на американских тепловозах, на базе которых сделан ТЭРА1, реализован вентильный переход, а ослабление возбуждения не применяется. Вроде и схема упрощается, но утяжеляются условия работы тяговых двигателей при прочих равных.
На этом, пожалуй, на сегодня закончим. Теперь вы можете с одного взгляда на схему понять тип перехода: если группы реостата расположены с одной стороны — шунтированием, если «крестиком» (по диагонали) — мостовой, если в центре схемы диоды — вентильный. Детальные разборы схем конкретных локомотивов будут в следующих статьях. Как думаете, о чём будет юбилейный 25-й «ТЭД»?
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
