Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха», о Ту-154 и самолётах вообще
Статья — о дизелях и «аналоговом компьютере», регуляторе мощности советских тепловозов поколения 60-х годов
* * * * * * *
Бок о бок с железной дорогой, последней милей Байкало-Амурской магистрали, течёт могучий Тумнин. Не мог этот сильный и холодный водный путь Сихотэ-Алиня называться в женском роде — только солидным, плотным словно глыба словом с похожей на молот буквой «Т» в начале. Как там рассуждал Ахмет в первом «Мародёре», решая, как назвать приведённого на охрану дома кавказца? Поначалу хотел назвать огромного невозмутимого пса М о г и л о й, но потом назвал м о г и л о й по-татарски — Кябир. "Мужеского роду, а то М о г и л а, Маша, Даша…"
Непрост и неприветлив Тумнин. В солнечный день смотришь — вроде волны завлекают небесной синевой, блещут на гребнях лучи солнца. Но входить в эти волны надо уважительно, придя к берегу на своих двоих, разогрев свои мускулы — иначе их скуёт холодом горных вод, задеревенеют ноги. Не принимает хозяин долины простаков, приехавших на машине словно на сочинский пляж пожарить шашлык да поплескаться.
И перейти на другой берег не получится, хоть местами и неглубоко — спешащий в Тихий океан поток будет сбивать с ног, выворачивать и швырять в костяшки потревоженные донные камни. Тумнин пропустит лишь сильных. И когда рядом лёг железнодорожный путь, хозяин долины не сразу принял соседа: приглядывался, пока не понял, что тот тоже непрост — вроде и легко перешагнуть две блестящие плети, но надо смотреть в оба. Немало зверей полегло под колёсами гремящих дизельных исполинов.
На пути — вернее, на одном из путей станции Монгохто — стоял и гремел своими тремя дизелями тепловоз. Мазутный, запылённый, усталый на вид. Он один такой остался — со старыми двухтактными 10Д100. В хвосте пыхтел, тоже тремя дизелями, толкач, но у него были свежие коломенские сердца — солидно развалившиеся в дизельном помещении V-образные Д49. Сейчас они дождутся встречного — угольные полувагоны, ночью вытряхнутые в бухте Ванина в теплоход-сухогруз — и пойдут штурмовать подъём на Ландыши.
Старый 3ТЭ10У ещё не знал, что это его последняя поездка — дома, в Комсомольске, его ждёт не привычный ПТО (пункт техосмотра), а отправка на завод на ремонт с заменой дизелей. Прежним он уже сюда не вернётся — получит новый голос, новый мозг и букву «К» на табличке. Тепловоз любил поиграть с рекой в догонялки. Вот его пропускают ходом — он вырывается вперёд, с жаром хардкорного барабанщика выстукивая колёсами дробь, обгоняет чёрные воды. Ставят на боковой — грустно ждёт зелёного и смотрит, как мимо змеится невозмутимый король долины...
Вот и долгожданный разрешающий сигнал. Ритуал перед отправлением, щелчок штурвала, в магнитном усилителе заработали локтями потоки... Нагнетатель поперхнулся и застонал — обороты нагруженного дизеля немного провалились, праздновращающееся колесо нагнетателя повисло на редукторе — и тот никак не мог понять, куда же ж ему передавать крутящий момент? От коленвала на колесо или с колеса на #коленвал ? "Вай-вай-вай-вай-вай, хватит меня бить по зубьям, как привык — так и буду! Колесо, держи свои ньютон-метры! Дуй воздух в горшки!" Каждый раз он так возмущается...
Самое время сменить лирику на физику и разобраться, что за нагнетатель и совсем уж непонятный магнитный усилитель. В пятидесятые годы ХХ века появился новый 4000-сильный тепловоз ТЭ3 (две одинаковых секции с дизелями по 2000 л. с.), ставший поистине народным — на него пересели все, кто до этого работал на паровозах. Для него сгодилась схема электропередачи, схожая со старой — применённой на ТЭ1 и ТЭ2, ТЭМ1 и ТЭМ2, описанной в позапрошлой статье ТЭД-14.
Система возбуждения тоже поменялась мало. Тот же возбудитель с расщеплёнными полюсами, но более сложный — с шестью обмотками возбуждения. Плюс его дополнили две маленьких электромашины — тахогенератора, и на контроллере появились 16 позиций вместо прежних 8 — 9.
На 1-й позиции обороты не менются — остаются 400 об/мин, как на 0-й, а вот дальше растут с каждой позицией. На 2-й — 430, на 3-й — 465 и так далее... На 15-й они равны 820 об/мин и на 16-й достигают предельных — 850. Кому знакомы грузовики — тот, поди, сразу подумал о коробках передач ZF 16S, 4 передачи которой с помощью планетарного редуктора превращаются в 8, а делитель и вовсе превращает их в 16.
В Союзе подобная коробка с делителем появилась в 70-е — когда встал на конвейер КамАЗ-5320, где 5 передач с делителем превращаются в 10. Впрочем, хватит играть в ассоциации, позиции — далеко не аналог передач... Это, скорее, педаль газа.
Вернёмся к «трояку» и его дизелю 2Д100. Этот двухтактный двигатель — копия американского судового Fairbanks-Morse 38 8-1/8, хитрой схемы (с движущимися встречно поршнями) и не оснащён турбокомпрессором. Для продувки цилиндров, то есть освобождения от выхлопных газов и зарядки свежим воздухом, на 2Д100 установлена воздуходувка системы братьев Рутс — что-то среднее между шестерённым насосом и парой шнеков от мясорубки. Воздух перемещается в закрытых объёмах между стенками и роторами, поэтому такой нагнетатель называется объёмным.
Приводится нагнетатель от коленчатого вала, отбирая у дизеля мощность, а отработавшие газы с большим остаточным давлением бестолково вылетают в атмосферу. Тем не менее, за рубежом такая схема — нагнетатель с приводом от коленвала — называется supercharger. То ли от того, что она наполняет цилиндры просто супер, то ли от любви американцев к супергероям...
Простое добавление секции (создание тепловоза 3ТЭ3) проблему повышения мощности не решало — нужна была эволюция. Для повышения мощности при создании тепловоза ТЭ10 Харьковский завод нарастил дизель на 2 цилиндра и установил 2 турбокомпрессора — получился 9Д100 мощностью 3000 лошадиных сил. Турбокомпрессоры (по-импортному — turbocharger) работают на остаточном давлении отработавших газов и нагнетают в цилиндры дополнительный воздух — моторостроители называют такие двигатели комбинированными.
Впоследствии удалось получить 3000 сил и в прежних 10 цилиндрах — получился дизель 10Д100. Пошли в серию тепловозы 2ТЭ10Л — две секции, итого 6 тысяч л. с., позже 2ТЭ10В, 3-секционные 3ТЭ10М (итого 9 тысяч сил) и другие машины серии. Параллельно Коломенский завод создал V-образные двухтактные дизели 11Д45 (16 цилиндров, 3000 л. с.) и 14Д40 (12 цилиндров, 2000 л. с.) для тепловозов ТЭП60 и М62. На них такая же схема наддува — два турбокомпрессора и приводной нагнетатель.
Правда, на 10Д100 и 11Д45 есть промежуточное охлаждение воздуха (intercooler по-современному), а нагнетатель центробежный, 14Д40 же без охладителя воздуха и с привычным нагнетателем братьев Roots. Различаются и схемы промежуточного охлаждения — на «харьковчанине» охладители наддувочного воздуха (ОНВ) стоят после нагнетателя, на «коломенце» — после турбокомпрессоров.
С усложнением и повышением мощности дизеля старая система возбуждения перестала справляться с задачами. Во-первых, не могла во всех возможных режимах полностью нагрузить дизель — ведь мощность меняется в зависимости от температуры воздуха и самого дизеля, от чистоты воздуха и качества топлива, от атмосферного давления и состояния дизеля. Неполное использование мощности означает, что силы на совершенствование дизеля потрачены зря, да и когда на перегоне с поездом были лишними килоньютоны тяги?
К тому же помимо главного генератора дизель нагружен ещё отключаемым вентилятором холодильника, компрессором — нагрузка от них колеблется независимо от режима ведения поезда. Если дизель уже до предела нагружен генератором, а тут ещё включился компрессор — дизель уйдёт в перегрузку, обороты начнут падать...
На ТЭ3 за нагружением на высшей, 16-й, позиции следит узел АРМ — авторегулирования мощности, построенный на тахогенераторе Т1. Если упрощённо, то при падении оборотов дизеля напряжение Т1 падает, от этого уменьшается ток в одной из обмоток возбуждения (ОВ) возбудителя, следом падают ток возбуждения генератора и нагрузка дизеля...
Но, во-первых, этот узел работает лишь на одной позиции — для всех его настроить невозможно, то есть на других позициях дизель недогружен. Полцилиндра или даже целый цилиндр работает, жжёт топливо и масло впустую! Во-вторых, это регулирование «по факту» — АРМ срабатывает уже после падения оборотов от перегрузки. Быстродействие так себе. Желательно, говоря языком ТАУ — теории автоуправления, замкнуть петлю обратной связи пораньше, чтобы нагрузка срезалась раньше. Не когда подача топлива выйдет на упор и от этого провалятся обороты, а сразу, когда подача топлива выйдет на упор.
Чехи на маневровом тепловозе ЧМЭ3 установили переменный резистор, меняющий ток возбуждения в зависимости от положения реек топливных насосов (подачи топлива), но это аппарат со скользящим контактом — значит, плохо работает в условиях загрязнений и вибрации, чего на тепловозе с избытком.
Екатерина Яковлевна Гаккель — дочь создателя первого тепловоза Гаккеля — описала в диссертации принципиально новую систему возбуждения. Опираясь на это, группа инженеров-конструкторов, которую возглавляла Ксения Ивановна Рудая, решила одним махом сразу несколько проблем — ввела обратную связь по подаче топлива, избавилась от коллекторных тахогенераторов, упростила регулировку и обслуживание системы возбуждения... Всё это позволил перевод управляющей части системы возбуждения на переменный ток.
Мозг новой системы — нечто вроде трансформатора, магнитный усилитель, он же амплистат (amplifier static — усилитель статический). Достойный потомок амплидина — сложного машинного возбудителя ТЭМ2. Переменный ток (с частотой 133 Гц на высшей — 15-й — позиции контроллера, при оборотах дизеля 850 в минуту) вырабатывает синхронный подвозбудитель ВС-652 мощностью 1,1 кВт, сам он получает постоянное возбуждение от цепей управления. От чего зависит частота тока синхронного генератора — подробно в статье 8.
На переменном токе работают узлы автоматики — датчики тока главного генератора, напряжения, оборотов и нагрузки, на нём работает и амплистат, суммирующий данные от датчиков. Выходное переменное напряжение выпрямляется, идёт на возбуждение возбудителя (В), а дальше пищевая цепочка не отличается от оной на ТЭМ2 — от возбудителя идёт возбуждение главного генератора (Г), а тот питает тяговые двигатели (1...6).
Правда, на «трояке» двигатели соединены уже последовательно по 2 (а не по 3, как на ТЭМ2), а на ТЭ10 и вовсе соединены все параллельно — чтобы выше было на них напряжение и тепловоз быстрей бежал. Что из-за этого вырос ток генератора (надо параллельно кормить аж 6 двигателей) — издержки производства, магистральный тепловоз быстро разгоняется, уходит из области максимальных токов и упирается уже в ограничение по напряжению. В этот момент можно включить ослабление возбуждения — ток вырастет, напряжение упадёт, можно разгоняться дальше. На ТЭ10 первый переход (ступень ОВ) включается на скорости около 40 км/ч, второй — под 60. Как включаются выключатели шунтирования (Ш, ВШ, КШ...) — в статье 14.
На каком принципе работают АВ и узлы автоматики?
На знакомом вам по статье ТЭД-11 реактивном сопротивлении. Например, индуктивный датчик нагрузки (положения реек топливных насосов) — катушка с подвижным сердечником. Введён железный сердечник в катушку — магнитное поле «ходит строем» через него, сопротивление катушки переменному току растёт. Выведен — #магнитное поле рассеивается, запасать магнитную энергию негде, ток в катушке не задерживается, проходит свободнее.
Датчики тока (включены в цепи двигателей) и напряжения (подключён к якорю генератора) называются трансформаторами постоянного тока и напряжения (ТПТ и ТПН). Они работают на принципе подмагничивания. Как сказано в статье 11, если сердечник уже заполнен магнитным потоком — лишний поток в него «не лезет».
Следовательно, если пустить по первичной обмотке постоянный ток (достаточно постоянного), то сердечник будет заполнен его потоком и реактивное сопротивление вторичной обмотки упадёт — для её потока не найдётся места в сердце тр-ра... То есть в сердечнике. Вторичный ток расстроится и уйдёт искать другое место, где задержаться. Первичная обмотка называется обмоткой подмагничивания, вторичная — рабочей обмоткой (РО).
К слову сказать, амплистаты применяются много в какой автоматике прошлого века — например, в блоке регулирования напряжения авиационного генератора переменного тока. На генератор и его хитрющий привод можно посмотреть в статье про агрегаты двигателей Ту-154, позже будет статья и про его устройство, работу и блоки, но сейчас — тепловозы. Подробно рассматривать каждый узел системы в этой статье смысла нет, это получится копирование руководства по эксплуатации тепловоза, задача статьи — показать суть системы, на каком принципе она работает. Самое время напугать читателей фрагментом схемы «амплистатного» тепловоза — 3ТЭ10У, ТЭП60 или М62, не суть:
Увидев знакомую пищевую цепочку «возбудитель — генератор — двигатели», а также сличив обозначения со структурной схемой на рисунке «Узлы системы возбуждения...», можно разделить эту мешанину на составляющие. СПВ через #трансформатор распределительный (ТР) питает переменным напряжением (частотой от 63 Гц на 1-й позиции контроллера до 133 Гц на 15-й) рабочую обмотку амплистата и датчики. РО питается почти что напрямую — через автотрансформаторную обмотку, что такое автотранс — я подробно рассказал в 13-й статье. А зачем каждый ТПТ, каждый датчик автоматики питать от отдельной обмотки? Смотрите внимательно — диодные мосты, включённые в цепи ТПТ, соединены последовательно. Значит, соединить эти цепи параллельно нельзя — она завяжется в «рыболовную сеть», получится короткое замыкание.
А зачем амплистату два сердечника? Чтобы исключить влияние переменного тока на постоянный — раз, чтобы обеспечить симметричную работу в оба полупериода — два. Теперь по-русски... Токи в рабочей обмотке амплистата и в обмотках подмагничивания сравнимы — следовательно, не только постоянный ток влияет на переменный, но и наоборот — от переменного в обмотках подмагничивания может наводиться переменный. Встречное (крестовое) включение полуобмоток, стоящих на разных сердечниках, устраняет это явление — наведённые в полуобмотках переменные ЭДС друг друга компенсируют (прямо как в рассмотренной в прошлой статье схеме ВЛ80С) и на постоянный ток не влияют.
Вторая причина — так потоки подмагничивания одинаково влияют и на положительные полуволны переменного тока, и на отрицательные.
Диодные мосты блока выпрямителей (БВК) включены последовательно, поэтому их выходные напряжения складываются и ток в питающейся от них обмотке подмагничивания АВ пропорционален сумме токов всех ТЭД — то есть току генератора. Ещё эта обмотка параллельно питается и от датчика напряжения (ТПН), но на упрощённой схеме это не показано. Причём за обмотку ТПТшкам и ТПНу надо побороться — подключены к обмотке они через диоды, и кто больше даёт — тот и питает обмотку, а узел, выдающий меньшее напряжение, отсечён запертым диодом.
Так выбирается, работает система возбуждения на ограничении максимального тока генератора или максимального напряжения — выполняется селекция, поэтому весь узел зовётся селективным.
Ещё в формировании потока подмагничивания АВ участвуют обмотки, питающиеся через индуктивный датчик нагрузки, через тахометрический блок... Их потоки складываются, и чем больше общий поток — тем больше будет ток возбуждения В, а с ним и ток возбуждения Г. Причём складываются с разными знаками — большинство обмоток работают на вычитание, то есть повышение тока в них уменьшает возбуждение.
Вот, пожалуй, для ознакомления всё — и так получилось довольно мудрёно. Не упомянут стабилизирующий трансформатор, не показаны характеристики системы... Коллектив К. И. Рудой удивительно изящно решил средствами тех лет задачу — создал магнитный «немикроконтроллер». Ещё МУ использованы в зарядных агрегатах ЧС4, ВЛ80, но об этом позже. И, как уже было сказано, магнитные усилители — это не только #железная дорога , это и #авиация — помимо блока регулирования напряжения магнитные усилители ещё используются в навигационных приборах, в блоке управления закрылками Су-24, Ту-22М и Ту-154...
А что же наш 3ТЭ10У? Он доехал с толкачом до Ванина, вернулся с порожними цистернами в #Комсомольск-на-Амуре и его увезли в Уссурийск на завод. Там он потерял подвозбудитель (на фото выше видно), амплистат и другие магнитные аппараты, вместо них получил цифровой электронный мозг — УСТА (на фото ниже), унифицированную систему тепловозной автоматики, а место гремяче-дымячих 10Д100М заняли 4-тактные V-образные 5Д49.
УСТА измеряет параметры своими датчиками, вычисляет и сразу выдает возбуждение возбудителя с помощью транзисторного ключа — на схеме с дисплея он виден как ШИМ (широтно-импульсный модулятор), он выполнен на IGB-транзисторе (IGBT). Контакторы шунтировки (ВШ), как видим, тоже включает УСТА. Вот одна из кассет блока — выходная, управляющая контакторами:
Ниже — ещё пара обещанных видео про толкачи, в планах четвёртое, но планов — втрое больше, чем возможностей. Пока же жду обратной связи — что в статье вышло непонятным, такие моменты ведь точно есть, тема сложная.
До новых встреч!
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»