Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
Статья посвящается памяти Дмитрия Уманца, он же Дима_Чех, трагически погибшего в 2020 году — любителя и профессионала железных дорог, корифея электровозов ЧС. Будьте осторожны на дорогах!
...Штурвал нельзя было бросить ни на полминуты — не давал аромат Карпат. Только поезд нырял в долину очередной речушки, какой-нибудь Горыни — как попадал в кривую, ещё и с подъёмом. Приходилось с воем и скрежетом колёс выскакивать из ямы наверх. Наверху ждёт небольшая передышка — станция с жутким названием Остро́г, а за ней снова кривая, и ещё, и ещё... Колёса закусываются в колее, пронзительно поют и держат поезд...
И без кривых нельзя — кругом холмы, тот самый аромат Карпат: до Львова ещё не одна сотня километров, но близость седых Угорских не даёт скучать уже сейчас. Холмы лбом не прошибёшь, их проще где объехать, где перескочить. Кончились кривые — колёса перестали петь, состав задышал, побежал, можно пару раз качнуть штурвалом, убрать немного тяги. Пошёл спуск — а машинист загодя бросил штурвал в минус и взялся за тормозной кран, тут уже не превысить бы скорость.
Вот в темноте кабины моргнула лампа «Т» и загорелась «П», электровоз словно мягко ткнулся в подушку... Ещё короткая вспышка «Т»... Придержали и хватит, пара толчков тормозного крана вперёд — и снова за контроллер, поехали добавлять напряжения двигателям, чтобы в яме, когда снова понадобится тяга, уже быть во всеоружии. Каждое мановение штурвала отдаётся хлопком и вспышкой в машинном отделении.
Первые полтора — два десятка вспышек двигатели почти не замечают, они крутятся с бешеной скоростью и отфутболивают сотни вольт шутя. Но вот наконец трансформатору удалось прошибить их противоЭДС — сонно покачивающиеся где-то на восемь часов стрелки килоамперметров ожили, побежали по кругу прыжками ампер по двести. Двигатели налились мощью, вновь завыли под её натиском редукторы.
Установленные скорости нас тормозят, а график подгоняет — из него выбилась ещё предыдущая бригада, диспетчер их неграмотно развёл со встречным где-то между Ко́ростенем и Шепето́вкой. А поезд ускоренный, с ним при езде графиком-то думать некогда, нагон же вообще превращается в ад. Хорошо, хоть старый чешский электровоз ЧС4 послушно исполняет команды.
Истинный ад сейчас творится у него в брюхе — в машинном отделении. Постоянные наборы — сбросы тяги, пулемётные очереди вспышек сверкают одна за другой, каждая вспышка вырывает из контакторов мощности облачко раскалённого металла, воздух пахнет сваркой... Бах-бах, бах-бах, тишина... Какие-то секунды спустя снова — бах-бах, бах-бах, бах-бах, и так без конца.
Скорость устойчиво держится около сотни, но саму езду на назовёшь устойчивой — швыряет из стороны в сторону ещё как. Громоздящиеся друг на друга кривые, разбитая ходовая часть с сухими как ведро с песком амортизаторами и жёсткий график, вынуждающий лететь на всех парах — всё делает поездку сильно похожей на плавание в шторм.
Далеко отсюда, за Днепром, Волгой и Онегой, под полярным кругом катился младший брат ЧС4 — угловатый кирпич ЧС4Т. Вроде и дорога чем-то походит на прикарпатскую — кривая влево, кривая вправо, спуск да подъём, а вокруг сосны, только работалось ему намного легче. Не было жёсткого графика, машинисту не приходилось постоянно горячить штурвал. Электровоз плавно брал с места вагон пригородного Вонгуда — Емца, подмигивал двумя жёлтыми глазами ламп вентиляторов, потом ненадолго затихал, чтобы аккуратно вкатиться с бокового пути на главный, и вновь подхватывал в шесть редукторов негромкую песню.
Кузов неспешно покачивался, осторожно пробираясь промеж архангельских болот, и пахло в нём, как и должно пахнуть в здоровом электровозе — смазкой, краской, немного трансформаторным маслом... Никакого резкого сварочного духа. Приехал он сюда из далёкого Кирова: сперва довёз поезд до Бабаева, потом вернулся в Вологду, сбегал в Данилов, привёл поезд из Данилова в Обозерскую и взял передышку — подрядился свозить пригородный из Емцы в Вонгуду и назад.
Пока он кружил по русскому северу, приходилось бежать и 100 км/ч, и 120, но нигде с электровоза не требовали лишнего, не пинали. Чувствовал он себя на четвёртом десятке лет прекрасно.
Киевский же ЧС4 уже давно справил 40-летие, набегал на пару миллионов километров больше и сейчас, изойдя потёками масла, подлетал к Здолбунову. Стоянки тут нет — берём город ходом, пусть другие тут стоят... Километры, километры и километры, такие похожие, но всё-такие разные... Впереди блеснул глазами «нейтральный смайлик» — знак нейтральной вставки. Опытный машинист, прекрасно знающий участок, сбросил тягу до нуля по пределу, вместе с редукторами затихли и вентиляторы. Вспышка, загорелась лампа насосов...
Вставка кончилась, ещё вспышка... БАХ! В пару к лампе насосов загорелся ещё один жёлтый глаз — недобрый «Блок 850». Помощник без команды выскочил из кабины — пошёл восстанавливать блок защит. Спустя несколько секунд табло погасло, благо едем первой кабиной и замысловатый ящик блока стоит рядом, идти недалеко.
— Сто сороковые — доложил помощник, вернувшись.
— Бывает... — погруженный в свои мысли, бросил машинист, включил главный выключатель и немедленно начал набираться. Потеряли полминуты, где теперь их взять?.. А уж какое из двух реле перегрузки выпрямительных установок сработало — 145-е или 146-е — сейчас неважно, иногда они впустую стреляют на вставках. Не сработали повторно — и ладно, машинисту меньше головной боли. Где они стоят и как вообще регулируется напряжение на чешских переменниках ЧС4, ЧС4Т и ЧС8 — с этим сейчас разберёмся мы.
Как можно помнить из пятой статьи, на электровозах постоянного тока двигатели соединены по два, ибо рассчитаны на 1650 вольт, а в контактной сети 3300 — они поодиночке столько не выдержат. И даже для работы на таком напряжении нужны дополнительные полюса и прочие хитрости конструкции. Ясное дело, что на переменном токе напряжением 25 — 30 тысяч вольт не обойтись без трансформатора, который понизит напряжение до пригодного для двигателей. А после транса — выпрямитель с фильтром.
По расчётам выходит, что для коллекторного двигателя мощностью 700 — 800 кВт (больше в тележку локомотива колеи 1520 мм уместить сложно, хотя у чехов это получилось на ЧС6 — там ТЭДы длительной мощностью аж 1 МВт) оптимально напряжение около 1 кВ. И ясное дело, что подать сразу полное на двигатель нельзя — для плавного трогания и разгона нужно, как говорят, произвести пуск. Можно сделать реостатный, как на постоянниках, но это неэкономично, хотя и применяется на старых электровозах двойного питания вроде ВЛ82М.
Экономичнее сделать специальный трансформатор со множеством отпаек (ступеней), чтобы можно было снимать с него нужное напряжение, либо сделать регулируемый выпрямитель. Второй вариант был реализован ещё до Великой Отечественной на опытном электровозе ОР22, а потом к нему вернулись уже при Брежневе, выпустив ВЛ80Р, и схема до сих пор жива в производимых ныне ЭП1М и ЭС5К. Но этот вариант сложнее для понимания, о нём — позже.
На поставленных Чехословакией «Шкодах» ЧС4, ЧС4Т и ЧС8 (заводские серии Skoda 52E, 62E и 81E) регулирование ступенчатое, у трансформатора 32 отпайки. Причём устроен он весьма сложно, представляет из себя эдакий сплав многообмоточного простого транса и регулировочной автотрансформаторной обмотки.
Автотрансформатор (АТ) — тр-р с одной обмоткой, то есть у него нет первичной обмотки и вторичной, «всё в одном». Кто был в приличной физической лаборатории, хотя бы школьной — мог запомнить жестяной бочонок с ручкой сверху, ЛАТР (лабораторный автотрансформатор). Подавая на вход 220 В, 50 Гц, можно вращением ручки выбрать любое выходное напряжение. В грубом приближении автотранс работает как индуктивное сопротивление, с отпайки которого снимается нужное промежуточное напряжение:
Переменный ток, протекая по обмотке АТ, от витка к витку плавно теряет напряжение. Следовательно, подключившись к одному из промежуточных витков, можно снять промежуточное напряжение. Такая схема — два последовательно включённых сопротивления, со средней точки между которыми снимается пониженное напряжение — в электротехнике называется делителем. Вот автотранс, грубо говоря (подробности — ниже), из себя и представляет индуктивный делитель — сопротивление у него реактивное.
Но если обычный активный (из активных сопротивлений) делитель способен лишь понижать напряжение, и то с потерями (ведь на R горят ватты электроэнергии, P = I²R), то индуктивный умеет не только понижать напряжение без потерь, но и повышать! Ведь помимо электрической связи между витками есть ещё и магнитная — они охвачены общим магнитным полем.
Если подать напряжение только на часть обмотки — то поле запитанных витков наведёт в оставшихся витках ЭДС как во вторичной обмотке обычного тр-ра, автотрансформатор будет работать в режиме повышающего. К слову, при понижении тоже значительная доля энергии не просто «делится» на обмотке как на делителе, а именно наводится в «вторичных» витках полем «первичных». Это и есть обещанные «подробности» :)
На ЧСах эта возможность использовать АТ как повышающий не используется, а вот в сетях электроснабжения — да:
Это трансформатор АТДЦТН на тяговой подстанции Дружинино, что в Свердловской области. АТ — автотранс трёхфазный, ДЦ — принудительная циркуляция масла и охлаждающего воздуха, Т — трёхобмоточный, Н — с регулированием напряжения под нагрузкой. Как видно по фото, у него три 3-фазных ввода — на 10, 110 и 220 кВ. Подстанция запитана по двум линиям — 110 и 220 кВ:
Понижающие тр-ры, выдающие 3,3 и 27,5 кВ для электровозов (Дружинино — станция стыкования), питаются ста десятью киловольтами, которые идут как напрямую из ЛЭП 110, так и через АТДЦТН из линии 220 кВ. Также при аварии в сети 220 кВ она может подпитываться через автотранс от линии 110 кВ, равно как и наоборот — подстанция выполняет роль не только тяговой, но и узловой. Но вернёмся к паровозам.
На ЧСах первичная автотр-рная обмотка выполняет две функции:
- первичной обмотки для обмоток отопления поезда и собственных нужд электровоза;
- делителя напряжения для питания первичной тяговой обмотки.
Чтобы прояснить эти заклинания, лучше взглянуть на схему:
Вверху слева — оригинал, правда, изрядно вычищенный. Обозначения 145 и 146 вам уже шапочно знакомы по вступлению — защита выпрямительных установок, 020 и 022, как несложно догадаться по диодам — выпрямительные установки, питающие двигатели (каждая ВУ — свою тележку), но сейчас главный герой — агрегат 015, блок главного трансформатора. У него несколько обмоток, а также на нём установлен переключатель ступеней (ПС) — избиратель с контакторами мощности. Именно последние хлопали да сверкали на первом видео. Управляется ПС штурвалом контроллера.
Обмотки 3 и 4 (отопления поезда и собственных нужд) пьют магнитную энергию из автотрансформаторной обмотки, а вот силовые обмотки 2 — по сути отдельный трансформатор, просто находящийся в одном баке и на одном сердечнике с автотрансом. Первичная обмотка 2 получает питание с автотранса через ПС, если он дошёл до последней 32-й позиции, то подаёт на первичную обмотку 2 все 25 000 вольт, которые во вторичных понижаются до 1040 В.
Если же ПС на первой позиции, то на вторичных будет 1040 / 32 = 32,5 В. Примерно столько, если не считать букета разных факторов, пойдёт на двигатели. Установлен ПС на баке трансформатора:
Избиратель, он же искатель (в книге встречаются оба названия), работает в масле — оно куда лучший изолятор, чем воздух, за счёт этого аппарат получился компактным. Представляет он собой две укреплённые на валу лапы с контактными роликами, ролики катятся по находящимся по кругу контактным площадкам. Каждая из площадок подключена к своей отпайке автотр-ра.
Лапы переходят с контакта на контакт поочерёдно — когда одна переходит, вторая сохраняет питание двигателей. Но для качественной коммутации этого недостаточно. Во-первых, при переходе с контакта на контакт под лапой будет загораться дуга. Во-вторых, когда обе лапы находятся на контактах — одна из секций обмотки (находящаяся между соседними отпайками) будет через лапы замкнута накоротко, выходят-то лапы на одну точку — на начало обмотки 2.
Эту проблему решают контакторы мощности S1 ... S4 с переходными сопротивлениями. Они отключают ту лапу, что в данный момент переходит с позиции на позицию, а в момент переключения с лапы на лапу вводят в цепь сопротивления — чтобы не было короткого замыкания между лапами:
Так как сопротивления активные и под током быстро сгорят — в цепях управления есть защита, реле времени 356, отключающее главный выключатель при задержке пневмодвигателя в промежуточном положении дольше 0,4 с. На позицию ПСа приходятся две позиции ПД — стало быть, с позиции на позицию ПС должен переходить не дольше 0,8 с.
Поэтому пневмодвигатель оборудован электрообогревом — чтобы разогреть масло, если оно холодное. А после стоянки электровоза дольше 12 ч надо сделать две полных прокрутки ПСа до 32-й и обратно без тока (с выключенным ГВ) — разогреть масло.
А что ж после транса? После транса ток выпрямляется выпрямительными установками, сглаживается дросселями (индуктивностями) и питает двигатели. Вот вскрытая для обслуживания выпрямительная установка DITYRUS-beta, стоящая на ЧС4Т:
В рабочем состоянии она, конечно, закрыта щитами, чтобы исключить поражение людей током. На корпусе ВУ стоят блокировки (выключатели), подпираемые щитами, если хоть одна разомкнута — отключается ГВ и падают токоприёмники. Впрочем, о защитах — о реле Бухгольца, о непонятных 008 и 009, которые можно углядеть на силовой схеме, и о другом — уже в другой раз.
А как устроена ходовая часть ЧСов и других локомотивов — в статье 23:
До встречи, электронавты!