Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
– Верхонский, на шестой вам маршрут готов, подцепайтесь, пробуйтесь! – весьма вольно трактуя регламент переговоров, прокричала фальцетом радиостанция. Машинист повторил, пустил три вентилятора и бодро тронул старую «кашку» с места. В марте машине стукнул сороковник, а как бодро возит! Благо езда закреплённая, можно за машиной следить – этот не какая-нибудь столичная развалюха, на которой работают 20 депо, с которой украдена даже раковина умывальника.
Вот и состав – полсотни бочек с кремéнским бензином, что пару часов назад привёз кременский же «фантомас» – а «кашка» как раз подвезла ему порожняк. Скоро из Кремня протянут провод на Знаменку – там и комсомольская руда в громадный Южный порт, и российский транзит туда же, будут и нефтепродукты вывозить тем же путём, а хорольский участок оставят без работы... Но это всё потом, а пока бригада сменила кабину, помощник ушёл, а машинист сел заполнять бумаги. В недрах кузовов гремели компрессоры, наполняя сдувшиеся за пару часов запасные резервуары тормозов состава.
Ровно молотившие компрессоры пару раз кашлянули, но тут же восстановили ритм. В подтверждение на пульте проморгнула лампа «МК», однако машинист был погружён в писанину и не заметил. На любой работе так – без бумажки ты букашка... Прошли полчаса, уже и откачались, и опробовали тормоза, получили справку. Дежурная без промедлений открыла сигнал, в путь!
Рельсы немного подмочил дождь – набираться приходится аккуратно, но всё же скорость идёт. 20, 30, 40... На пробу успеваем. Но у старой «кашки» были свои планы: она подмигнула блеклыми глазами «В» и «ВУ», а следом загорелась и лампа «ТД». Токи тяговых двигателей пропали.
– Та шоб тебя! Фазан мандит!
– В смысле? – не понял помощник.
– Реле оборотов! – ответил машинист, кинув контроллер в «АВ» – задребезжало, вырубило вентиляторы, за ними линейные. Беги, подопри 209-й.
А сам дождался нуля, передёрнул контроллер и вновь набрался.
Не успеваем... В окне уже мелькнул красный знак НТ, а разогнать поезд не вышло – значит, нужно нарисовать скорость на ленте вручную. Палец под писец скорости, делаем выпуск... Бумага всё стерпит, ты с бумажкой человек! Хорошо, что скоростемер не электронный, вроде того, что стоит на новых электричках или ВЛ40У – там такие фокусы не пройдут... Так, тормозной эффект есть – это главное, снижение скорости на ленте тоже нарисовалось, кран в первом.
Вот снова застучали компрессоры, машины работают исправно, но надолго ли? На дребезжащем реле оборотов подъём на Лубны можно и не взять – а ну как тягу скинет посреди подъёма? Тут может не помочь и толкач. Но тут вернулся помощник, доложил, что 209-й контактор подклинен, а дальше пусть ремонт займётся реле оборотов фазорасщепителя. Довезëм!
Вентилятор понятен всем – дует, охлаждает, чтоб не грелось. Компрессоры тоже – это сжатый воздух и для тормозов, и для звуковых сигналов, и для аппаратов. Мотор-насос трансформатора тоже понятен – бак главного трансформатора залит маслом для изоляции и охлаждения, масло нужно гонять через радиаторы, передавая накопленное тепло воздуху. Но вот фазорасщепитель? Почему ничто из перечисленного не работает без него? Двигатели вспомогательных машин советских и российских электровозов переменного тока – асинхронные (АД), об их работе рассказано в статье «ТЭД-9»:
Основа работы АД – бегущее магнитное поле. Сперва одна фазная обмотка стрельнула в ротор магнитным потоком, навела в роторе ток, потом стрельнула вторая – и поле ротора к ней притянулось... Так и бегает ротор вслед за магнитным полем. Понятно, что однофазное питание этого дать не может – бегущее поле не получишь, как не выстроишь полукругом одного человека. Нужно либо питание АД 3-фазным током, либо ухищрения при питании однофазным – лéпка искусственной третьей фазы конденсатором или иным методом.
Если вы не в курсе, как себя ведут обмотка и конденсатор на переменном токе – лучше заранее прочесть статью «ТЭД-11», иначе дальше будет непонятно:
А наши электровозы-переменники – однофазного питания, они даже назывались так: ОР22 – однофазный со ртутными выпрямителями и осевой нагрузкой 22 тонны, НО – новочеркасский однофазный, Н6О – новочеркасский 6-осный однофазный... Правда, НО и Н6О после бунта в Новочеркасске перекрестили в ВЛ61 и ВЛ60, но фаз от этого не добавилось. В мире существуют небольшие системы с 3-фазным питанием электровозов, самая обширная – в Италии, там в контактной сети два контактных провода, а на подвижном составе – сдвоенные токоприёмники.
Прямо как у троллейбуса, только токоприёмники не штанговые, а привычные для ЖД пантографные. Но простота и надёжность этой системы покинули чат. Поэтому третью фазу вырабатывает уже на борту машины специализированный АД – фазорасщепитель, он же ФР или «фазан». На ВЛ60, 80, 85 это именно машина особой конструкции, а на ЭП1М и «Ермаках» в роли «фазана» стоит обычный двигатель – такой же, как на привод вентиляторов и компрессоров, но работающий без нагрузки. Зовётся он двигателем пусковым или ДП.
Итак, вот наш герой на модернизированном ВЛ60К:
Тут небольшая нагрузка на его валу всё-таки есть – генератор управления мощностью до 4,5 кВт, что для упитанной тýши «фазана» кажется небольшим. Но пускается-то сам ФР на одной фазе, сам себя еле везёт, а тут ещё надо крутить ГУ. Его жалобный лай можно послушать на коротком видео "Как поёт «фазан»", а про ГУ почитать в статье «ТЭД-29»:
До модернизации, пока от каждой кабины не убрали по одному вентилятору, ФР стояли в глубине машинного отделения, снимать их там жутко неудобно, зато можно взглянуть сбоку:
Реле оборотов управляет пуском «фазана» – при разгоне до частоты, близкой к рабочей, отключает пусковое сопротивление и разрешает включение нагрузки – других двигателей. Самое время взглянуть на схему электровоза. Там ФР обозначен привычным «бубликом» – как простой АД, однако его внутренняя схема хитрее:
Как видим, его обмотка напоминает поломанную марионетку: звезда кривая, фаза С подключена не к нулю, а к середине фазы А, а часть витков фазы В лежит в пазáх фазы А. Для комплекта клеммы названы не А, В, С, а С1, С2, С3, плюс число витков разное. В «огрызке» фазы А – 28 витков. В «полуторной» обмотке, на ⅓ лежащей в пазáх фазы А и на ⅔ в пазах фазы В – 44 витка. В генераторной фазе С – 54 витка. Для пуска ФР на фазу С (клемма С3) через контактор 119 и пусковое сопротивление r6 подаётся напряжение фазы В.
За счёт резистора напряжение на С3 получается меньше, чем на С2 – в результате на всех трёх фазах разные напряжения, а это уже три точки опоры, три фазы. Но главное – за счёт разного числа витков у обмоток разная индуктивность, они по-разному задерживают ток: куцая фаза А почти не задерживает, полуторная фаза В задерживает сильнее, а длинная фаза С задерживает больше всего. В итоге токи в фазах протекают в разные моменты и получается бегущее поле, утягивающее за собой ротор.
После пуска резистор можно отключить, запущенный АД без нагрузки на валу может работать и без третьей фазы. Его работа напоминает работу раскрученной дворовой карусели: необязательно тянуть её изо всех сил, достаточно лишь подталкивать. Вращающийся ротор накачивается энергией от полюса, проворачивается дальше, вихревые токи в нём гуляют, а тут раз – и впереди снова полюс. Поле вихревых токов к нему притягивается, полюс снова подкачивает вихревые токи энергией – и так без конца.
Но если вал нагрузить – обороты быстро просядут, поле ротора отстанет от поля статора, без ударов поля ротора наведённая ЭДС в статоре упадёт, ток в статорной обмотке резко вырастет и двигатель скончается от перегрева. На одной фазе АД нагрузку не держит, горит порой за секунды (это из практики, а не из книжной теории, где двигатель продолжает работу с 60 % нагрузки). Поэтому на валу ФР нагрузки либо вообще нет, либо она минимальна (ГУ на ВЛ60).
Однако самое интересное происходит в генераторной третьей фазе. Поле вихревых токов ротора, проходя мимо неё, наводит в ней ЭДС – то есть в третьей фазе вырабатывается ток. Он вместе с током от трансформатора, которым питается и сам «фазан», подаётся на двигатели насоса, компрессора, вентиляторов. То есть фазорасщепитель сам работает без нагрузки, однако вырабатывает для других двигателей третью фазу, чтобы они могли запускаться под нагрузкой.
А нагрузка там неслабая: на ВЛ80 начиная с ВЛ80К-380, то есть почти на всех, стоят мощные вентиляторы Ц8-19 № 6,5 и похожие, у которых колёса установлены на обоих концах вала двигателя. Компрессор тоже непростой – тепловозный КТ-6Эл, у него тяжёлый коленвал с тремя поршнями. Стронуть с места и разогнать до рабочих оборотов непросто что то, что то. На ВЛ85 все вентиляторы стали одноколëсными, но компрессор – всё ещё КТ-6Эл, ещё и с другим редуктором, чтобы обороты были больше, ведь объём резервуаров больше.
Поэтому «фазан» там ещё есть, хоть и не специальный НБ-455, а такой же двигатель АНЭ-225, как на остальные машины. А вот начиная с ВЛ65 фазорасщепитель пропал. Нет его и на ЭП1, которые по сути почти те же ВЛ65, и на первых 2ЭС5К и 3ЭС5К, выпущенных до 2010 года. Там вспоммашины пускаются так же, как промышленные 3-фазные двигатели где-нибудь в гараже с 1-фазным питанием – на конденсаторах:
В каждой батарее уложено 8 обычных конденсаторов, они лежат на стеллаже, показаны стрелкой. Если в ФР токи «разъезжаются» за счёт индуктивности – назад относительно напряжения, то конденсаторы сдвигают ток в третьей фазе туда, куда умеют – вперёд. Но итог один – получается пусть и корявая, но 3-фазная система. Поэтому на схеме всех ЭП1, половины ЭП1М и ранних 2ЭС5К «фазан» не найти – лишь конденсаторные батареи С121 ... С123 внизу, включаемые контакторами КМ1 ... КМ3:
А справа от конденсаторов видна панель реле напряжения – А1. Если все машины выключены – конденсаторы тоже отключены. При пуске любой машины включаются все конденсаторы, машина разгоняется. По мере разгона машина вместо «фальшивой» третьей фазы, созданной конденсаторами, наводит в своём статоре «настоящую» третью фазу (точно как в фазорасщепителе), реле напряжения чует эту третью фазу и отключает часть конденсаторов.
Для пуска следующих машин «кондёры» уже не особо нужны – запустившаяся машина исполняет роль ФР, конденсаторы ей лишь помогают. Все вентиляторы на ЭП1 одиночные, компрессоры тоже полегчали – стоят 2-цилиндровые без редукторов, просто с муфтами между мотором и компрессором, поэтому конденсаторы запуск вытягивают нормально:
Кстати, если вернуться к схеме ВЛ80 – видно, что там тоже есть конденсаторы, они тоже помогают «фазану». Куда больше вопросов на схеме 2ЭС5К вызывает некий блок U5.1, из которого растут фазы, покрашенные в синий и сиреневый. И почему у насоса и двух вентиляторов контакторов по два?
U5.1 – как раз ПЧФ, показанный снимком выше. Он питается от отпайки главного трансформатора и выдаёт 3-фазную систему напряжением 40 вольт, 16 ⅔ герца – в качестве опоры использует «родную» фазу А трансформатора, фазы В и С формирует с помощью тиристоров свои. Вот тёплые, почти ламповые алюминиевые радиаторы с таблеточными тиристорами внутри и не менее сколковские кассеты управления:
Тиристоры в плане управления – система ниппель, открываться по команде умеют, а вот закрываться – не очень, о чём рассказано в статье «ТЭД-20». Поэтому они работают как умеют – откусывают от каждой третьей синусоиды 40-вольтовый кусочек «хвоста» и направляют на нужную фазу, В или С. Так и получается 50 / 3 = 16 ⅔ Гц.
А дальше с помощью контакторов решается – на какой скорости работать основным вентиляторам и насосу. Включатся КМ11, 12, 15 – на них пойдут обычные 380 В, 50 Гц, если КМ7, 8, 9 – пониженная частота. Возникают два вопроса: почему напряжение непропорционально низкое и почему ПЧФ питается аж от середины обмотки, где 200 вольт, хотя надо всего 40?
По логике должно быть не 40, а 380 / 3 = 127 вольт. Но это если речь о машине с линейной нагрузкой. А особенность вентиляторов и центробежного насоса, как и любых динамических машин (они же инерционные, работающие не за счёт перемещения закрытых объёмов, а за счёт отброса масс) такова, что с падением оборотов подача падает квадратично. Поэтому можно сэкономить ещё немного электричества, подавая на низкой частоте не 127, а 380 / 3² = 42 вольта. А от целых 200 вольт ПЧФ питается для запаса – вдруг напряжение в контактной сети упадёт до предельных 12 кВ, плюс ещё запас на устойчивую работу.
Езда на низкой частоте вращения машин обозначается зелёным светодиодом «НЧ» – экономим, начальник! Экономия при ведении лёгкого поезда или вообще езде резервом серьёзная: при ведении по площадке порожнего поезда 14 % электроэнергии ВЛ80 расходует на вспомогательные нужды, то есть вентиляторы (компрессор там наберёт от силы процент).
У 2ЭС5К режим низкой частоты есть – его гонять резервом или с тремя вагонами куда выгоднее, переключение частоты идёт при малом токе тяговых двигателей. МВ3 (на ЭП1 – МВ4) работает лишь в режиме рекуперации, охлаждает сильно греющийся блок балластных резисторов (ББР) цепей якорей ТЭД, а компрессор – он и есть компрессор, эти машины работают лишь от 50 Гц.
Вот блок вспомогательных аппаратов (блок 12) ЭП1:
Вверху – мощные 2-полюсные контакторы включения вспомогательных машин на высокую скорость, правее в том же ряду стоят такие же, но 1-полюсные контакторы конденсаторов. Маленькие контакторы ниже – на слаботочные цепи. КМ23 – отопление, КМ8 – включение МВ2 на низкую скорость... Как видим, на НЧ даже контакторы экономичней.
У тех, кто внимательно разглядывал схемы, давно назрел вопрос: почему контакторы двухполюсные, когда фаз три? Это же опасно – оставлять фазу на машине. Но это верно для двигателей, доступных человеку при работе, а на наших электровозах все мощные двигатели стоят в высоковольтной камере, то есть заперты при поднятом токоприёмнике. Поэтому достаточно рвать две фазы – просто их останавливать.
Разглядеть контакторы подробнее можно на панели 1 ВЛ80Т:
Под крышей нашлось пусковое сопротивление «фазана» (r6), а рядом на панели – включающий его контактор 119. Слева – контактор включения фазорасщепителя 125, хорошо видна приводная катушка – контактор электромагнитный, как и все во вспомогательных цепях. Внизу – тепловые реле токовые (ТРТ) защиты машин, под ними стоят контакторы машин. 113 – реле перегрузки обмотки собственных нужд, а вот 111 и 126 – рубильники аварийной схемы.
Их переключают при полном отказе цепей питания вспомогательных машин – подключают машины к обмотке собственных нужд и «фазану» другой секции. Если же отказал только сам ФР, а обмотка собственных нужд вполне дееспособна, то можно на щитке параллельной работы под панелью 3 (панелью реле напротив левой входной двери) переключить две кнопки «Фазорасщепитель» и «Без фазорасщепителя», они сблокированы пластиной, включить одну можно лишь после отключения другой:
Блокировочная пластина показана зелёной стрелкой. Причём на ВЛ80К и ранних ВЛ80Т этих кнопок не было, там при отказе «фазана» – только переключение 111, 126. Рядом установлены точно так же сблокированные кнопки «Мотор-насос тр-ра» и «Низкая температура масла» – первая отключает маслонасос, вторая позволяет включиться тяге без включения насоса.
Эти кнопки переключаются, если масло холоднее –15 °С – чтобы не сжечь насос, а маслу дать прогреться. А вот кнопки «ФР» и «Без ФР» переключаются при отказе фазорасщепителя – и вспомогательные машины можно включать, не запуская ФР. Но третьей фазы-то нет! Поэтому пуск начинается с наименее нагруженных машин – мотор-вентилятора № 1 или № 2, у каждого на валу всего одно колесо.
Вентилятор худо-бедно запускается на имеющихся в схеме конденсаторах, а дальше можно пускать массивные МВ3, МВ4 и мотор-компрессор – тот самый, в составе которого на двигателе висят редуктор, коленвал и три шатуна с поршнями:
С контролем конденсаторного пуска на новых электровозах ясно – реле KV01 в панели А1. С ВЛ60, ВЛ80К и ранних ВЛ80Т, ВЛ80С тоже – там центробежное реле оборотов на валу ФР:
Работает оно почти как центробежный регулятор зажигания в трамблёре старых легковушек – по мере роста оборотов рычаги (красные) расходятся, толкают через подшипник шток (зелёный) и в один прекрасный момент переключают контакты (синие). В цепях управления включается контактор 209, подающий питание в кабину на кнопки вспомогательных машин.
Однако на более поздних машинах РО-33 нет, взять тот же ВЛ80Т-756:
«Поросячий пятак» вала под пальцы РО свободен. Эти электровозы оборудованы ППРФ-300 – панелью пуска расщепителя фаз. Тот же самый А1, тоже замеряет напряжение на третьей фазе – оно понижается, выпрямляется и подаётся на катушку реле, трансформатор, диоды и реле тут отыщет любой:
И последнее. В статье не раз сказано, что ПЧФ стоит на ЭП1 и первых 2ЭС5К. Однако на ЭП1 нередко пересаживались машинисты чисто пассажирского движения, всю жизнь проработавшие на ЧС4, ЧС4Т и ЧС8, где вентиляторы коллекторные и пускаются автоматически при наборе позиций. В итоге, не задумываясь о пусковых тока асинхронных двигателей, машинисты включали вентиляторы вместе с тягой – порой несколько раз в минуту.
Двигатели не выдерживали и сгорали – плавился алюминий заливки ротора, горели обмотки. В итоге для облегчения пуска двигателей на электровозы в роли «фазана» поставили ещё один двигатель НВА-55 – такой же, как остальные, назвали его ДП – двигатель пусковой. Работает он вхолостую, а так как на наших электровозах всё большое – для его размещения пришлось выкинуть ПЧФ, на электровозах с ДП нет НЧ. Вот на переднем плане ДП, за ним двигатель МВ3:
Такой вот декаданс. В движении это можно посмотреть на сегодняшнем видео «4ЭС5К "Ермак" – краткая экскурсия по недрам"». А с электропоездов ФР никуда и не пропадал – он есть и на старушках ЭР9, ЭР9П, ЭР9М, помимо выработки третьей фазы приводит вентилятор охлаждения выпрямительной, реактора и маслорадиатора трансформатора:
Кто ездил на этих старушках – запомнил уютную вибрацию моторного вагона, тогда как на постояннотоковой сестре ЭР9, на ЭР2, преобразователь стоит на прицепных вагонах. А вот на ЭР9Е сделано естественное (от набегающего потока) охлаждение агрегатов, о чëм и говорит буква «Е».
Но почему-то ни на «ешке», ни на «тэшке», ни на их потомках ЭД9Т, ЭД9М и ЭП3Д на прицепной вагон «фазан» для облегчения моторного вагона не переселился. Кроме инерции мышления других объяснений нет. А что на ЧС? Там вообще ФР нет – вентиляторы и компрессоры приводятся коллекторными двигателями, а маломощные АД маслонасосов и калориферов кабин пускаются конденсаторами:
Всё было понятно? Понятно, почему 1 + 1 = 3? Две точки (контактная сеть и рельсы) – одна линия (одна фаза), три точки – уже три линии (три фазы). О чём будет следующая статья, «ТЭД-32» – пока секрет, а «ТЭД-33» расскажет о регулировании оборотов асинхронных двигателей. Кое-что объяснено на видео «Мотор с "понижайкой"», но там только про ступенчатое регулирование двигателей особой конструкции. А сейчас везде плавное, даже на трамваях. И ещё будет дан ответ на вопрос Владимира Белянина – как работают «в ногу» параллельно включённые генераторы переменного тока. На днях же вышел ролик с плавным регулированием АД от преобразователя ESQ-230.
А о направлении Кремень – Знаменка, упомянутом в начале статьи, будет четвёртое видео в цикле «Знам'янка люба моя»:
Обновления канала также выходят в нашей группе в Телеграме, её помимо меня ведут машинист-инструктор, авиапромышленник и другие работники транспорта:
Но неоценимую помощь можете оказать и вы – если сбросите ссылку на статью туда, где сидите. В школьный чат, куда заглядывает учитель физики, в студенческий или в рабочий – не суть. Туда порой кидают то, что совершенно никому не нужно – почему бы не скинуть то, что может кому-то прояснить вопросы?
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—
