Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Статья — об истории становления тяги переменного тока в наших странах, о силовой схеме электровозов ВЛ60 и ВЛ80, работающих с 1950-х годов по сей день. Обновлена 29 сентября — добавлено второе видео.
* * * * *
Мы стояли и ждали помощи, чтобы взобраться на Лубны. За спиной легкомысленно подвывал «фазан», под ногами покоился огромный мощный двигатель — всего их у нас восемь. Наш электровоз — ВЛ80К — прозвали волом не только за буквы ВЛ (Владимир Ленин). Он и внешне похож на вола, такой же массивный, основательный, так же безотказно тянет груз во много раз тяжелее себя.
Но победить реку Сулу в одиночку не под силу даже ему — вода много миллионов лет струилась по склонам, увлекая крупицы земли, и выкопала глубокую долину, которую приходится пересекать поездам.
Волу нужен супруг . Сейчас уже все забыли, но в старину пару лошадей или волов, запряжённых в одну телегу, звали именно супругами — если вслушаться в слово, то можно разобрать что-то вроде «соупряжники», трудящиеся в одной упряжке.
Супруг уже стоял на станции, ждал нас. Тоже немолодой ВЛ80, выпущенный через 11 лет после нашего, следующая модификация — ВЛ80Т. Он неспешно выехал за стрелки, сейчас бригада сменит кабину и заедет в хвост нашего состава... На железной дороге для взятия тяжёлых подъёмов больше распространено подталкивание — так проще отцепиться и отправить поезд дальше.
Локомотивы-супруги — головной и толкач — ходят не плечом к плечу, как их живые собратья волы и кони, но точно так же делят на двоих mg, умноженную на крутизну уклона. Помните физику? Это сила тяжести, ложащаяся на них при взятии подъёма. Масса на ускорение свободного падения на тангенс угла...
Машинист это всё изучал в техникуме, но сейчас вряд ли вспоминал — за четверть века он сроднился с локомотивом, научился понимать состав с полувзгляда, стал хорош в своём деле как птица в полёте. Когда участок электрифицировали и на смену горбатым 2ТЭ116 и маленьким 2М62 пришли ВЛ80 — без особых проблем оседлал новую мощную машину.
Вот и толкач доложился, сигнал на выход зелёный. Машинист включил все шесть вентиляторов, толкнул кран в первое — проверил проходимость тормозной магистрали, и вернул во второе. Кран слегка пшикнул, как и должно быть при длинном составе. Это когда следуешь резервом или везёшь пару вагонов, то хлопок иной раз такой, что ушам больно...
Можно отправляться. Сигнал, щелчки контроллера, погасла последняя красная лампа, «ТД» — включились линейные контакторы. Следом сдвинулись с нуля огромные главные контроллеры, подмигнули бледные лампы «0, ХП», ожили амперметры, вол громыхнул тележками. Путь продолжился. Рельсы мокрые, отправляемся с бокового пути, скорость по стрелочному переводу ограничена — не гоним... Хватит пяти позиций. Стрелка указателя несколько раз кузнечиком прыгнула вправо, подгоняя амперметры.
Наконец позади и переезд, и стрелки, и мост через Сулу — хвост с толкачом скоро выйдет с бокового... Мы, голова, уже упёрлись в подъём, время набираться. ФП — РП, ФП — РП... Указатель показал 7-ю позицию. Ещё пара качков контроллером — 9-я, пока хватит. Ждём... Наконец по пикетам стало ясно, что хвост вышел, можно выпустить на волю все мегаватты мощи электровозов. А как их выпустить, что такое главные контроллеры и лампы «0, ХП» — об этом ниже.
Немного истории. В 1950-е годы завершался переход с винтовой упряжи на автосцепку, что позволяло поднимать массу поезда , были созданы мощный тепловоз ТЭ3 и ещё более мощный электровоз ВЛ8. И если с тепловозами всё упиралось в энергоустановку (дизель, неоднократно пробовали применить газотурбинный двигатель), то мощность электровоза теоретически неограничена — качай в него энергию да качай. Но то в теории...
В «...страшных киловольтах» я кратко рассказал, почему в линиях дальней электропередачи применяют высокое напряжение . При попытке передать 100 киловатт на 100 километров при скромном напряжении 6 киловольт будет потеряна чуть не половина энергии... Поэтому применяют и 110, и 330, и страшные 750 киловольт, даже 1150.
Схожие проблемы встали на ЖД: система постоянного тока 3 кВ справлялась с «закачкой» энергии в 2,4-мегаваттный ВЛ22М, а 4,2-мегаваттный ВЛ8 ясно показал — если наращивать мощность электровозов дальше, то рассеянье энергии в сети и потери мощности локомотивов (напряжение-то падает) заведут развитие электротяги в тупик. Выход был в радикальном повышении напряжения — это означало перенос сердца подстанции (трансформатора и выпрямителя) на электровоз.
Участок Ожерелье — Павелец (к югу от Москвы) был электрифицирован на переменном токе напряжением 20 кВ, обычной сетевой частоты 50 Гц, и были выпущены 12 электровозов ВЛ61. Они были как родные братья похожи на новые 6-осные «постоянники» ВЛ23, но внутри вместо реостатов разместились трансформатор и ртутные дуговые вентили (выпрямители) — игнитроны.
Транс понижал 20 киловольт до ряда невысоких напряжений, привычные контакторы выбирали нужное напряжение (коммутировали), а игнитроны выпрямляли переменный ток в пригодный для ТЭДов постоянный. Для привода вентиляторов охлаждения и компрессоров были применены асинхронные двигатели.
Эти принципы закрепились на отечественных электровозах на долгие годы, тогда как на импортных чешских электровозах Škoda всё иначе — сперва регулирование, потом понижение, потом выпрямление, а вспомогательные двигатели — коллекторные. До сих пор (2022 год) и те, и другие, и третьи машины можно встретить на дорогах — большинство участков постоянного тока переводить на переменный никто не стал, «работает — и ладно». Городской электротранспорт тоже работает на постоянном токе, но напряжением менее 1 кВ.
ВЛ61 показал, что курс верен, и был создан электровоз, пошедший в широкую серию — ВЛ60. Причём не на костях ВЛ8, а бок о бок с машиной нового поколения — ВЛ10. Пусть у «шисятки» и «десятки» разное число осей, но эти машины роднят 6-полюсные тяговые двигатели схожих параметров, тележки с упругими поводками (у ВЛ8, ВЛ23, ВЛ61 — древние челюстные буксы) и конструкция кузова. И ещё контакторы сменил групповой контроллер ЭКГ-60/20 — электроконтроллер главный. Что такое контакторы и контроллеры — в статье 3:
ВЛ60 стал настоящим серийным испытательным полигоном системы переменного тока. И переход с опасных дуговых ртутных выпрямителей на кремниевые (ВЛ60 становились ВЛ60К), и рекуперация, и независимое возбуждение — всё отрабатывалось на них. Ведь на переменном токе просто так не порекуперируешь — двигатели при работе в генераторном режиме вырабатывают постоянный, а в сеть надо выдавать переменный. Но о рекуперации позже, пока — что было внутри у ВЛ60 без буквы «К»:
Игнитроны, как видим, имели мощное водяное охлаждение, трансформатор — не менее мощное охлаждение масла. До наших дней ни одного электровоза с таким оборудованием не сохранилось и увидеть, как это выглядело в оригинале, можно лишь в учебных фильмах... А вот упрощённая силовая схема:
Как видим, применена не привычная сейчас мостовая схема выпрямления, а так называемая двухполупериодная — каждую полуволну «ловят» одна половина обмотки тр-ра и одна группа вентилей. Получается, что обмотка работает неэффективно — каждая из частей работает только половину времени, в итоге масса меди трансформатора вдвое больше, чем могла бы быть при мостовой.
Но в мостовой схеме то же самое можно сказать про вентили, а с вентилями в те годы была напряжёнка — огромных игнитронов на электровозе 12 штук, разместить 24 было бы намного сложнее, да и опаснее. Ведь в них плескалась жидкая ртуть , разогретая до рабочей температуры (перед работой игнитроны надо было специально греть). На случай их разгерметизации в кабинах были противогазы, а бригаде предписывалось покинуть электровоз через окна.
6-полюсные тяговые двигатели НБ-412М «шисятки» по всем основным параметрам — напряжение, ток, число пластин коллектора — фактически были двигателями электровоза-постоянника: номинальное напряжение порядка 1,5 киловольт (1450 В), ток длительного режима — 410 А. Если посмотреть на параметры двигателя «десятки», ТЛ-2К1 — всё почти один в один, 1500 В и те же 410 ампер. Не самые оптимальные параметры, но сравнительно меньший ток тоже позволил сократить число игнитронов.
...Предлагаю прерваться и посмотреть отправление нашего старого вола уже с толкачом в хвосте:
Вернёмся к ТЭДам. Позже появился двухсекционный 8-осный ВЛ80, его двигатели НБ-418 уже были спроектированы с более оптимальными параметрами, близкими к параметрам двигателя ЧС4. Напряжение продолжительного режима НБ-418 — 950 В, ток — 820 А. Первые электровозы были с игнитронами, но потом пошла серия ВЛ80К — с кремниевыми диодами. Параллельно переоборудовались на кремниевые диоды и ВЛ60, получая обозначение ВЛ60К, их переключатель ЭКГ-60/20 заменялся на ЭКГ-8Ж от ВЛ80. Причём тут есть один момент, но о нём — в конце статьи.
На ВЛ80К схема обмоток транса сохранилась, однако схема выпрямления уже прогрессивная мостовая, диоды же — простые и дешёвые, их можно не считать... Правда, не совсем обычная — с расщеплёнными плечами. По мере чтения, надеюсь, вам будет понятно. Итак, регулирование идёт на вторичной стороне тр-ра, причём не только за счёт простого перебора отпаек, но и за счёт переключения соединений обмоток! Переключения выполняет главный контроллер ЭКГ-8Ж, он имеет 33 позиции.
Регулируемая и нерегулируемая части могут соединяться последовательно согласно — тогда их напряжения складываются. Так они соединены с 18-й по 33-ю позицию. А с 1-й по 17-ю позицию они соединены встречно — их напряжения вычитаются. Для перехода с отпайки на отпайку, как и на ЧСах, применяется делитель напряжения, только он не чисто активный, а индуктивный. Называется переходным реактором:
Благодаря тому, что используется индуктивное сопротивление, ПРА значительно меньше греется и не перегорает за секунды, как сопротивления ПСа чехов, а может работать несколько минут. Это используется для увеличения числа позиций при сравнительно небольшом числе отпаек транса.
Переходных реакторов два, на фото это хорошо видно. ПРА переключаются через контакторы с дугогашением, обозначенные как А, Б, В, Г. Остальные 30 контакторов (контакторных элементов — КЭ) ЭКГ, переключающие отпайки и соединения обмоток, дугогашения не имеют и переключаются тогда, когда разомкнуты «прикрывающие» их контакторы А ... Г. Снова «Вместе мы — сила!», прямо как прерыватель Фоккера, позволяющий стрелять авиапулемёту только тогда, когда перед ним нет лопасти винта.
После внешнего знакомства можно перейти и к схеме. Для подачи напряжения на двигатели сперва включаются линейные контакторы (ЛК), а затем ЭКГ проворачивается с позиции 0 на 1-ю. Замыкаются 4 его КЭ, включая обмотки встречно, а также 2 КЭ, подключающих левую обмотку к контактору А и правую обмотку к контактору Г. Здесь и далее элементы без дугогашения не показаны, чтоб не мельтешили перед глазами — показаны только создаваемые ими связи.
Далее напряжение мелкими шажками повышается поочерёдным переключением отпаек с помощью ПРА, напряжения регулируемых частей (U2) таким образом убавляются, они всё меньше сопротивляются напряжениям нерегулируемых частей (U1) — уменьшается вычитаемое, в итоге разность (напряжение на двигателях) растёт. Как идёт перебор — чуть ниже, пока сразу посмотрим 17-ю позицию — регулируемые части полностью выведены.
На 18-й позиции обмотки переключаются на согласное включение и регулируемые части из вычитаемых превращаются в слагаемые — начинают добавляться к нерегулируемым. На 33-й они добавлены полностью. А теперь — про ПРА и перебор промежуточных позиций.
Как уже было сказано, в отличие от ЧСов, где переходные сопротивления горят за секунды, ПРА рассчитан на работу в течение нескольких минут. Но и его работе есть предел. Поэтому у ВЛ60 и ВЛ80 (кроме ВЛ80Р — он совсем из другого теста, на нём нет ЭКГ, регулирование плавное электронное) есть ходовые позиции и неходовые — на них не допускается длительная езда.
На этих позициях каждый ПРА включён как на 33-й — не между отпаек, а на одну отпайку. Этими позициями являются первая и далее каждая четвёртая: 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33. На них через ПРА не течёт ток замыкания секции, только рабочий тяговый ток.
На неходовых ПРА нагружен дополнительно паразитным током замыкания секции обмотки (не короткого, но близко к нему). Ведь сколь бы ни было удобно реактивное сопротивление — активное сопротивление ПРА тоже работает и рассеивает тепло. Этим же током нагружена и сама секция — она не только отдаёт ток двигателям, но и греет ПРА.
Хлопки контакторов А, Б, В, Г можно увидеть и услышать на «Тяни-толкае-I», позже смонтирую специальное видео:
Поэтому КПД схемы на неходовых позициях оставляет желать лучшего. Если покрутить ЭКГ при включённом ГВ, но выключенных вентиляторах — слышно, как тр-р и ПРА злобно рычат токами замыкания обмоток, они есть даже при выключенных ЛК.
Поэтому длительная езда разрешена лишь на позициях, когда ни одна секция обмотки через ПРА не закорочена — это каждая 4-я позиция: 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33. Они называются ходовыми, на них, а также на нулевой, горит лампа «0, ХП», она своя на каждый ЭКГ. По числу горящих на пульте ламп «0, ХП» можно сразу сказать, из скольки секций состоит электровоз — двух, трёх или четырёх.
И ещё один пункт потерь в такой схеме — встречное включение обмоток. На 1-й позиции на двигатели идёт всего 42 вольта, но цепь-то состоит из встречно включённых обмоток напряжением около 1000 вольт каждая! Обмотки длинные и активное сопротивление у них будь здоров. В итоге по напряжению большая часть витков просто бодается друг с другом, но в цепи работает активное сопротивление всех витков. Работает и рассеивает тепло. Нагрев как у обмотки на 2000 В, а «выхлопу» — всего 42 В.
Короче говоря, по активным (тепловым) потерям ВЛы проигрывают ЧСам, зато выигрывают по реактивным — сложный двухступенчатый транс ЧС4, ЧС4Т, ЧС8 вырабатывает куда больше реактивной мощности, чем одноступенчатый транс ВЛ60 и ВЛ80. Плюс транс намного проще, грубее допуски — проще изготовление и ремонт. Но ещё у ВЛов весьма криво отключается неисправный двигатель.
Мосты ведь не цельные и питаются не каждый от своего крыла тр-ра, как у ЧСов, а расщеплены, питаются наполовину оттуда, наполовину оттуда. Это позволяет поделить между двигателями поочерёдный переход крыльев с позиции на позицию — когда ПРА включены по-разному, то на двигателях одна из полуволн выпрямленного тока больше другой. Пульсации больше, но это лучше, чем если тележки бы переходили с позиции на позицию поочерёдно и тянули по-разному.
Но при отключении одного ТЭДа баланс схемы нарушается и оставшийся ТЭД тележки принимает на себя повышенную нагрузку — его ток в 1,7 раза больше, чем у каждого из двигателей исправной тележки. На ВЛ60К двигателей на тележке 3, а не 2, поэтому там небаланс меньше. Можно отключить и выпрямительную установку в случае её пробоя: на ВЛ80 — огромным рубильником, на ВЛ60К — ещё более огромным переключателем вентилей (ПВ) с пневмоприводом. Кстати, вот электропривод ЭКГ:
ПВ собран из элементов от ЭКГ без дугогашения, но привод, повторюсь, воздушный. Если на ВЛ80 выпрямительная отключается вместе с тележкой (теряется пара двигателей), то на ВЛ60К мёртвая ВУ «выбрасывается» из схемы, а тележки соединяются последовательно и подключаются к исправной ВУ. Электровоз вдвое теряет в скорости, но сохраняет тягу. Воистину чудесный паровозик, жаль только, что каким пришёл — таким по сути и ушёл, не считая замены игнитронов на «кремни». Жёсткая ходовая часть, шумная кабина — это никуда не делось.
А в чём «момент» замены ЭКГ-60/20 на ЭКГ-8Ж? Последний был спроектирован под 4-двигательную секцию ВЛ80, как он тянет 6 ТЭДов «шисятки»? Очень просто, вспомните параметры двигателей. НБ-412 — фактически двигатель «постоянника», с длительным током 410 А, у НБ-418 же длительный ток аж 820 А. В итоге токи шести НБ-412 в полтора раза меньше, чем четырёх НБ-418.
Вот так «сырой», неоптимальный для электровоза-«переменника» — слишком большое напряжение, хуже коммутация — двигатель сослужил «шисятке» добрую службу. Кто знает, не будь возможности их унифицировать с ВЛ80, стали бы для них проектировать новый ЭКГ или списали бы молодыми?..
На сегодня всё! Скоро добавлю ещё пару фотографий и смонтирую пару видео. А как управлять ВЛ80 и вообще масса мелких и важных моментов — в следующих статьях.
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
