Очередная статья цикла «Труженик электродвигатель» рассказывает об управляемых диодах — тиристорах, об их применении в быту, на производстве и на транспорте
- Пролог
- Введение
- Фазовое регулирование
- Зонно-фазовое регулирование
- Преобразование постоянного тока
ПРОЛОГ
...Тиха придонская ночь. Грузовые поезда только что разъехались, лишь у вокзала стоит одинокий пассажирский. В голове тихо-тихо гудит ЭП1М, где-то внутри него медленным спортсменским дыханием изредка выдыхает редуктор токоприёмника. Светофор уже открыт, машинист следит за зелёными цифрами часов на КЛУБ-У и ждёт...
Свет в кабине погас, вместо него зажёгся прожектор, а в машинном отделении что-то ухнуло и тихо зажурчало. И ещё раз, и ещё. Убедившись по глазастым красным лампам, что всё включилось, машинист подал свисток и двинул рукоятку. Погас последний красный глаз — и за спиной к журчанию вентиляторов добавилась новая нота, какой-то зловещий тихий шелест.
Это заявили о себе тиристоры. Они пустили ток по лабиринту кабелей и перемычек, и эти тонны меди сцепились магнитными полями и задрожали. Ни вспышек, ни хлопков, как на старых машинах.
Электровоз плавно-плавно взял состав с места. Спешить пока некуда, вот хвост вытащим со стрелок — тогда и придётся навалиться всей мощью. Стрелка, рывок в сторону, аж ложка в кружке звякнула, считаем сотни метров... Один пикет, второй, третий — хвост у нас длинный, люди едут на море. Наконец, вытащив с бокового пути почти полкилометра вагонов, машинист уложил контроллер, и в этот момент из-за угла показались четыре богатыря — мосты через Дон. За ними лежит Царь-гора — подъём на Пухово.
Лет пять назад здесь царили чешские электровозы — кирпичи ЧС4Т да изящные акулы ЧС8, они на разгоне завывали так, что слышно было за версту. А «биотуалет», как прозвали ЭП1М за бело-синюю пластиковую кабину, звучит совсем иначе. Хитрые шевронные редукторы, неземной вой которых ни с чем не спутаешь, прошли тон комариного писка и сейчас вели себя тихо, хотя работу делали тяжёлую — тысячетонный поезд уже нёсся под восемьдесят. Незримо, незаметно ток по командам системы управления перетекал с одного тиристорного полумоста на другой, поддерживая тягу.
В жёлтом лучше прожектора махнул рукой охранник с автоматом на груди, а следом в стёклах замелькали могучие балки моста, загремел металл. Это единственное, что сейчас тревожит по ночам некогда шумный райцентр Лиски, если закрыть глаза на бесшабашную молодёжь, изредка ревущую пробитым глушителем «Жигулей» или «девятки»... Но жители давно привыкли, мирно спят под грохот мостов. Спят и пассажиры нашего поезда, спят и проводники — остановок теперь не будет полтора часа, до самой Россоши. Не спит лишь локомотивная бригада.
Машинное отделение всё звучит на одной ноте, но разными инструментами, словно слаженный оркестр. Грозно гудит главный трансформатор, в унисон рычат реакторы , а тихий шелест перемычек превратился под нагрузкой в жуткий металлический треск. Журчанье вентиляторов уже и не слышно, но с таким током это ненадолго... Амперметр на пульте замер за цифрой «0,6», вверху горит зелёная лампа «НЧ» — низкая частота.
Внезапно вспыхнула красная лампа «РН», короткой очередью отстрелялись контакторы и первый вентилятор взвыл, разогнавшись до высокой скорости, за ним перешёл на высокую второй, а следом третий. Лампа «НЧ» погасла, в машинном последним контрольным выстрелом отключились КМ1, 2, 3, погасив и лампу «РН». МСУД — микропроцессорная система управления и диагностики — включила охлаждение на полную.
Теперь оркестр аппаратов аккомпанировал трио вентиляторов, а под электровозом по мере падения скорости снова начал прослушиваться секстет редукторов. Село Лиски, встречай наш шумный экипаж!
Тысячетонный поезд, обтекая волны подъёма из долины Дона, висел на электровозе то сильнее, то слабее. Цифра скорости на КЛУБ-У то и дело убавлялась, а в кривых колёса и вовсе норовили сорваться в пляс — электровоз начинал мелко дрожать. Машинист, смуглый здоровяк с орлиным носом — типичная южная кровь, окаменел, работал только палец, лежащий на кнопке подачи песка. Прозевать боксование нельзя, посадить поезд на песок тоже нельзя!
Предки машиниста, поди, пришли из Турции, лихо управляясь с горячими скакунами, а их достойный потомок сейчас управлялся с тысячами лошадиных сил электровоза. ЭП1М с виду — неказистая, безобидная мыльница, припавшая к земле словно улитка, но тысяч восемь лошадиных сил он выдать может. И до ста двадцати километров в час разбегается без проблем, если не мешает подъём вроде того, на котором сейчас мы.
ЧСы, царившие в этих краях долгие десятилетия, пошустрее и чуть-чуть мощнее, но за всё надо платить — подъёмы они берут хуже. Не так далеко от Лисок, в Саратове, подъём на Буркин «чехи» брали в паре с толкачом, а сейчас «эпэшки» на пределе, но проезжают сами. Дон — не Волга, и подъём на Пухово попроще, чем на Буркин, но с таким поездом, как сейчас у нас, надо держать ухо востро. Вот электровоз снова задрожал, а кто-то в секстете зафальшивил...
Это средняя тележка. Из кабины её не слышно — больно далеко, перебивают вентиляторы. Но машинист загодя включил кадр «Ток. Скорость» и следит за её поведением, да ещё чутьё подсказывает, когда электровоз вот-вот готов поскользнуться. Морока с этой средней тележкой, но хоть за током следить и работать штурвалом не надо — один из плюсов русской техники, который некоторые машинисты разглядели, лишь отвыкнув от чешской.
Короткий сброс тока спас положение — колёсная пара перестала вертеться впустую и снова вцепилась в рельсы. Больше такого допускать нельзя, иначе можем подъём и не взять. Хорошо, что ток нарастает плавно, если МСУД не глючит — ещё один плюс тиристорной «эпэшки». Меньше шансов, что снова сорвёмся...
Песок, песок импульсами... Сжатый воздух выдувает под первую колёсную пару две струи песка. У ЭПшек как у машин пассажирских всего лишь одна пара песочниц на каждое направление, но если подавать постоянно, то воздуха уходит будь здоров. Вот снова замурлыкали компрессоры, восполняя потери. На грузовых «Ермаках» они строчат пулемётной очередью, а на ЭП1 у них тихоходный мотор — на пассажирский поезд воздуха уходит куда меньше...
Сейчас компрессоры стучали часто. Откачают, передохнут минуту-полторы — и снова в пляс поршнями. Да что компрессоры — весь локомотив трудится сейчас на износ, но, как ни ругают ЭП1М, всё равно вывозит. Да и что его ругать — в одной стране родились, нашими руками он сделан. Нам на нём и работать. Компрессоры из-под Нижнего, тиристоры из Саранска, а сам электровоз родился неподалёку отсюда — в Новочеркасске. Через несколько часов проедет мимо родины.
Но пока впереди лежат Пухово, Райновская и Лихая, эти три Царь-Горы надо взять... Ничего, возьмём...
Послушать компрессоры ЭП1 можно на видео «Мотор с понижайкой» (нажмите на цветное — откроется, не стал перегружать страницу вставкой видеоплеера).
ВВЕДЕНИЕ
В статьях про труженик электродвигатель уже сто раз встречались диоды — электронная система «ниппель». Приборы несложные и по работе, и по устройству, состоят всего из двух слоёв кремния с разными примесями. Без диодов никуда — на них в середине прошлого века делали радиоприёмники (втыкали в картошку — на полном серьёзе); диоды есть в любом телефонном заряднике; на ЖД переменного тока 25 герц для передачи сигналов светофоров даёт простейший и хитрющий преобразователь на диоде.
Но для регулирования диод не годится — ему надо скармливать уже готовое напряжение. Можно вырабатывать нужное, как делается на тепловозах. Можно «перекидывать провода» на трансформаторе, как на ВЛ60 или ЧС8. Можно регулировать после выпрямления — по сути так работают электровозы постоянного тока, выпрямитель которых стоит на подстанции (нажмите на цветное — откроется статья по теме).
Для регулирования вроде бы можно использовать транзистор — прибор посложнее диода, из трёх слоёв. Но в 1960-е годы не существовало транзисторов, способных переваривать сотни ампер при тысяче вольт. Это сейчас они существуют и называются IGBT (IGB-транзисторы), они открыли совершенно новые возможности. Но в 60-е из мощных управляемых приборов существовал только тиристор. На принципиальных схемах он обозначается VS.
Тиристор по устройству — «двойной Биг Мак», 4-слойный прибор. А по работе — двойной транзистор и двойной ниппель. Для пояснения работы тиристор часто разрисовывают как два «завязанных в узел» транзистора, потому и «двойной транзистор», а почему «двойной ниппель»? Потому что пропускает ток он как диод — лишь в одном направлении, но не всегда, а только по команде.
У тиристора есть третий вывод — управляющий электрод (УЭ), если на нём есть напряжение — то тиристор откроется, когда появится напряжение на основных выводах. Если напряжения или там, или там нет — не откроется. Но если открылся — то пойдёт до конца, пока через него течёт силовой ток, он останется открытым.
То есть открывается тиристор по системе «ниппель», как прорванная запруда — обратно не закроется, пока напор не иссякнет. С транзистором-то иначе — он открыт, пока есть ток базы (управляющего вывода), а при снятии управляющего тока сразу захлопывается. Поэтому тиристор просто так не используешь для постоянного тока, но вот для регулирования переменного подходит — переменный ток же проходит через «нули», то есть регулярно прекращается.
А теперь — как с этими особенностями оседлать тиристор...
ФАЗОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
С помощью тиристора у полуволн переменного тока можно откусывать «левый бок». Это называется фазовым регулированием и используется много где — в недорогих диммерах освещения, в автомобильных зарядных устройствах, старых электроприводах и даже в электровозах. Угол задержки от начала полуволны до открытия тиристора называется углом альфа:
Главный недостаток этого метода — когда нужно низкое напряжение, то нагрузке достаются слишком мелкие и редкие «огрызки» тока. Это видно даже по светодиодным или люминесцентным лампам, если «рулить» ими через дешёвый диммер — на малой яркости они сильно мерцают, «лампочки Ильича» из-за своей тепловой инертности терпимее к пульсациям, но по ним тоже заметно.
А уж как жалобно рычат регулируемые через диммер асинхронные вентиляторы, которым по-хорошему нужен «частотник»! Душить асинхронный двигатель диммером, то есть напряжением, не меняя частоту — это как вдавить на машине газ в пол и регулировать скорость тормозом, но двигатели вентиляторов из-за особенностей характеристик это худо-бедно выносят. С двигателем компрессора или станка фокус не пройдёт, тут уже только «частотник»...
Итак, ловим фронт волны переменного тока, выжидаем нужные миллисекунды, поджигаем тиристор (в предке тиристора — тиратроне — горит реальная дуга, и ведёт себя этот прибор точно так же, поэтому без кавычек) — получаем уменьшенное среднее напряжение. Где это используется?
...Перенесусь в 2007-й год и достану из своего архива снимок из одного из депо, ремонтирующих тепловозы 2ТЭ116, они же «фантомасы»:
УВВ — управляемый выпрямитель возбуждения типа БВК-1012. Если помните, то в схеме древнего ТЭМ2 святая святых — сложный возбудитель, он и мозг, он и усилитель, выдающий главному генератору ток возбуждения (см. статью ТЭД-14). У более позднего 2ТЭ10 мозг уже похитрее — амплистат, возбудителю оставлено лишь усиление (см. ТЭД-16). У 2ТЭ116 мозг ещё хитрее, а усиление — управление током возбуждения мощного генератора — сделано на тиристорах.
Этим с тепловоза убрана одна из коллекторных электромашин — возбудитель, а чем плохи коллекторные машины — рассказано ещё в статье ТЭД-2, коллектор и щётки требуют регулярного трудоёмкого обслуживания. Так вот, на «фантомасе», как и на 2ТЭ10, для питания системы возбуждения стоит однофазный синхронный генератор , только зовётся он не СПВ, а просто СВ — синхронным возбудителем.
СВ даёт переменный ток и для датчиков системы регулирования возбуждения, и для питания обмотки возбуждения генератора (Г). А поскольку обмотка возбуждения «ест» постоянный ток, а СВ выдаёт неотрегулированный переменный — УВВ этот ток и выпрямляет, и регулирует, «нарезая кусочками». УВВ собран по мостовой схеме (мост Гретца) и все полупериоды — и положительные, и отрицательные — направляет в одну сторону.
В реальности схема посложнее будет, на случай отказа управляющей электроники предусмотрен режим аварийного возбуждения — вместо тиристоров в верх моста включаются диоды и на генератор идёт полное напряжение СВ. На 2ТЭ25КМ — правопреемнике 2ТЭ116 — стоит УВВ чуть более новой версии — БВК-1012РМ, но принцип действия тот же и «авария» тоже есть, включается рубильником в аппаратной камере:
Как видите, в «аварии» у БВК «не прощупывается пульс» — угол открытия тиристоров (альфа) равен нулю, потому что вместо тиристоров при этом работают диоды, а у них угол открытия всегда равен нулю — открываются сразу, как почуют напряжение...
Ещё на 2ТЭ116У, 2ТЭ25К и 2ТЭ25КМ из тиристоров собрана и тяговая выпрямительная установка (если память не изменяет, М-ТПП-3600), что позволяет регулировать раздельно ток каждой оси. Это называется поосным регулированием тяги (по осям), а М-ТПП на жаргоне зовётся «6-канальник» — по числу осей и каналов.
Выполняя на текущем ремонте вскрытие и чистку «6-канальника», я сделал несколько кадров. Самих тиристоров на них не увидеть — они глубоко, но аппаратуру защиты, управления и контроля — во всей красе:
На электровозах, особенно переменного тока, тиристоры тоже применяются широко. Например, на ЧС4Т они управляют и зарядкой батареи, и работой вспомогательных машин — вентиляторов охлаждения и компрессоров, их двигатели на ЧСах даже переменного тока радикально коллекторные, тогда как на наших электровозах стоят неприхотливые асинхронные (см. статью ТЭД-9).
К зарядному агрегату, он же стабилизатор ASL3, я вернусь в рассказе о питании цепей управления, а тиристоры вспомогательных выпрямителей стоят в шкафах основных выпрямительных установок внизу:
Мосты питания цепей управления и вспоммашин — полууправляемые, как тот же БВК «фантомаса», то есть у каждого моста два тиристорных плеча и два диодных. Они дают и плавный пуск машин, и стабилизацию напряжения на них. Вот схема питания и сами машины:
Например, вентилятор тяговых двигателей требует 250 вольт, и когда в контактной сети номинальные 27,5 кВ — обмотка собственных нужд (ОСН) главного тр-ра даёт 354 В и проблем «прокормить» вентилятор нет. Тиристоры открываются не полностью, пропуская к мотор-вентилятору 250 вольт.
При падении напряжения в сети до 20 киловольт будет пропорционально падать и напряжение ОСН, но за счёт уменьшения угла открытия тиристоров напряжение на вентиляторе будет оставаться равным 250 В. Если оно упадёт до минимальных 19 кВ или ещё ниже — тут уже напряжение «завалится»... Ещё из тиристоров собрана выпрямительная установка возбуждения электрического тормоза, но про электротормоз — в отдельной статье.
Но если маломощные двигатели без проблем «переварят» мелкие огрызки полуволн, то на тяговых двигателях недопустима такая пульсация, какая будет при больших углах альфа — тут и вибрация, и потеря тяги, и прочая, и прочая... Поэтому для отказа от контактной аппаратуры силовую схему электровоза пришлось кроить ещё хитрее. Первенцем был ВЛ80Р.
Об этом — во второй части статьи. Также в ней — о регуляторе зарядки 2ТЭ116, управлении вспоммашинами ЧС8 и управлении тяговыми двигателями трамвая Татра Т-6 — о тиристорных преобразователях постоянного тока. А ещё — немного о легендарном, родившемся не в то время электровозе ЭП200, несбывшемся самостоятельном производстве Россией скоростных электровозов...
Вторая часть статьи — «ТЭД-22»