Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Из тьмы выплыл очередной «нейтральный смайлик» — знак нейтральной вставки. Алексей заранее сбросился в ноль, помощник подкачал компрессорами воздух и дожал влево переключатель вентиляторов, прервав их не слышную на ходу песню. Зимний лес на мгновение разгорелся холодным светом и вновь скрылся в полумраке за уютными лампами подсветки приборов. Те чуть потускнели, повиснув на батарее, а стрелка сельсина нервно дрогнула, словно пытаясь унюхать пропавший переменный ток.
На ста десяти километрах в час полтораста метров нейтральной вставки кончаются быстро. Снова молниевая вспышка, только послабей первой, осветила лес, сельсин будто гончая собака уверенно взял след на ноль... Ещё вспышка! Только теперь в кабине!
Подсветка приборов разгорелась ослепительным белым светом, в котором пугающе ясно были видны лёгшие вправо стрелки двух приборов — амперметра и вольтметра зарядки. Что-то коротнуло в несложных электронных мозгах стабилизатора — он выдал вместо положенных 54 вольт около сотни.
Машинист ещё не успел нажать на кнопку выключения ГВ, как всё само решилось. Лампочки почти одновременно погасли, а следом испустил дух, не выдержав нагрузки, и сам стабилизатор. Так, вечер перестаёт быть томным! Выключаем преобразователь ЭПТ, прожектор... Как он ещё выдержал... Буферные фонари, если они ещё горят — в общем, всё по максимуму, чтобы батарея протянула подольше. Теперь опускаемся, помощник сбегал и переключил батарею на 40 банок, поднимаемся...
Готово. Мудрые чехи, поставив лишь один стабилизатор, дающий зарядку, предусмотрели возможность дотянуть «до аэродрома» — можно добавить к батарее три банки, чтобы она подольше держала напряжение. Хорошо, что ночь лунная и зима снежная — дорогу видно без прожектора. Однако получить добро от инструктора надо — вдруг сверху скажут встать на ближайшей станции да ждать вспомогательный? Не скажут, это не в стиле «РЖД» — за родину, за Сталина... Набираем Викторыча...
——— ——— ——— ——— ———
В прошлой статье мы ознакомились с источником зарядки батареи, питания цепей управления и освещения на тепловозах и на старых электровозах постоянного тока. Напряжение батареи — где 50 вольт, где 75, где 110, но везде стоят генераторы, в основном коллекторные. Даже на старых трамваях так, но там, конечно, автомобильное напряжение 24 вольта, о чём рассказано в посте:
На единственном советском электровозе стоят, говоря словами Александра Лукашенко, "нормальные человеческие яйца" — синхронный генератор с диодами, на электровозе двойного питания ВЛ82М:
На электровозах переменного тока должно быть проще — трансформатор, выпрямитель и готово, никаких вращающихся частей. На машинах поновее так и есть, но вспомним, когда появился наш массовый первенец ВЛ60 (Н6О) и каким он был:
Тяговый ток выпрямляли ртутные дуговые приборы — игнитроны, весьма капризные и опасные. Им требовалась жёсткая температурная стабилизация, предварительный прогрев перед работой, а при разгерметизации бригада надевала противогазы. Естественно, строить маломощный выпрямитель для цепей управления ни на этих бомбах, ни на слаботочных кенотронах, ни на селеновых столбах конструкторы не стали — а просто поставили привычный генератор управления ДК-405, тот же, что на ВЛ8, ВЛ23 и прочих сверстниках ВЛ60.
Пристанищем генератора (точнее, двух генераторов) стали постоянно вращающиеся при работе электровоза фазорасщепители:
Эта электромашина — асинхронный двигатель особой конструкции, он работает вхолостую на одной фазе (электровоз-то однофазного питания) и вырабатывает нужную другим асинхронникам третью фазу. Благодаря нему другие асинхронные двигатели (привода маслонасоса, вентиляторов, компрессоров) пускаются легко. Заодно «фазан» приводит и маломощный генератор управления. Как работает асинхронный двигатель — рассказано в статье «ТЭД-9»:
Послушать фазорасщепитель ВЛ60 можно на видео «Как поёт "фазан"».
Время шло, прогресс не стоял на месте, ВЛ60 стали переоборудоваться на кремниевые выпрямители, получая букву К, из ворот НЭВЗа стали выходить более мощные 8-осные ВЛ80К... На них «фазан» поёт легко и просто, ибо от гнёта генератора избавлен, а для питания цепей управления поставлен ТРПШ — трансформатор, регулируемый подмагничиванием шунтов. Это гибрид тр-ра с магнитным усилителем, последний описан в статье «ТЭД-16»:
ТРПШ по наследству перешёл ВЛ80Т, ВЛ80Р и большинству ВЛ80С, вот он на ВЛ80Р Красноярской дороги:
Диоды и аппараты управления стоят рядом на распредщите́ (РЩ). ТРПШ работает хитро, у него тройной сердечник:
Первичная — на схеме красная — намотана на всех трёх, на неё подаются 380 вольт от главного тр-ра электровоза — те же 380, что идут на вспомогательные двигатели (на самом деле там в идеале 406 В, а по факту плавает как бревно в проруби, не будем нудить). Подмагничивания — синяя — намотана лишь на боковых сердечниках, они же шунты. Вторичная — зелёная — намотана только на центральном, напряжение с неё выпрямляется диодами и идёт на питание цепей управления.
Дроссель, что за диодным мостом (на фото он тоже попал), сглаживает пульсации. О том, как индуктивность сглаживает пульсации тока — в статье «ТЭД-11»:
Если напряжение на выходе РЩ достаточно, то тока в обмотках подмагничивания нет, во всех трёх сердечниках наводится одинаковый магнитный поток. Если надо добавить — регулятор напряжения (РН) открывает тиристоры, в «синей» обмотке появляется ток, в шунтах возникает магнитный поток, который насыщает шунты, «заполняет» их. Поток «красной» обмотки в шунтах уже «не помещается» и вытесняется в главный сердечник — наводить больше ЭДС во вторичной обмотке.
То есть чем больше ток в обмотке подмагничивания — тем больше ЭДС во вторичной обмотке и напряжение на выходе РЩ. РН стоит на РЩ спереди:
А контактор К включает зарядку: если он отключён — цепи управления питаются от батареи, если включён — батарея и цепи управления разными цепями питаются от ТРПШ. На большинстве локомотивов, на автомобилях и самолётах сделано проще — генератор и батарея запараллелены, если генератор может брать на себя — то стоит диод, а тут усложнили, чтобы улучшить условия заряда батареи.
Зачем такие сложности, почему было не сделать просто управляемый тиристорный выпрямитель? На мой взгляд, тут две причины, главная: в момент создания ВЛ80К ещё не были хорошо освоены мощные тиристоры — обошлись Т10-25, рассчитанными на ток до 25 А. К слову, мощность ТРПШ — около 10 кВт, можете посчитать ток при напряжении 50 В и понять, зачем на РЩ такие огромные диоды на радиаторах...
Вторая возможная причина — сильные пульсации при больших углах открытия тиристоров, то есть при малой нагрузке и большом напряжении в контактной сети, а чаще всего картина именно такая: нагрузка далека от предельной, в сети 27 — 30 кВ... Как вообще работает тиристорное регулирование — в статье «ТЭД-20»:
Но это можно было решить расщеплением вторичной обмотки и плеч выпрямителя: диодные плечи выдавали бы половинное напряжение, тиристоры бы при необходимости добирали до полного.
Более того, похожим образом сделана силовая выпрямительная установка электровоза Sr1, что строился НЭВЗом до Финляндии, они работают до сих пор. И ещё более того — так сделали на поздних ВЛ80С и последующих электровозах вроде ВЛ85, 2ЭС5К, ЭП1 — там уже стоит трансформатор ТР-214 с диодно-тиристорным выпрямителем:
Как видим, ничего термоядерного, в отличие от ТРПШ, ни в его виде, ни в схеме нет. Пока тиристоры V1 и V2 закрыты — плюс в цепи управления поступает со средней точки ТР-214 через диод V5, минус возвращается через V3 и V4 — смотря какая полуволна переменного тока в сети, положительная или отрицательная. Работает половина обмотки тр-ра, а в каждый конкретный полупериод — четверть, это подзабытая двухполупериодная схема выпрямления с нулевой точкой.
Сейчас везде стоят диодные мосты — при мостовой схеме вдвое больше число диодов, но вдвое меньше вторичная обмотка тр-ра, при двухполупериодной с нулевой точкой всё наоборот. Так вот, как только регулятор напряжения решит добавить — он начинает открывать тиристоры, к напряжению от диода V5 начинают добавляться «огрызки» от тиристоров V1, V2, поднимать напряжение на выходе блока питания.
Да, на ВЛ85 источник питания цепей управления называется уже не распредщитом, а блоком питания БП-6. На ЭП1 и 2ЭС5К — шкафом питания (ШП), начинка та же, просто название другое, вот он на 4ЭС5К:
За жёлтой панелью — как раз тр-р и тиристоры, а выше стоят приборы управления и контроля:
Как видим, ШП не работает — амперметр отклонился влево от нуля, батарея разряжается. Вид сзади, трансформатор вполне узнаваем, заодно видно и мощные тиристоры:
Тиристор отличается от диода третьим электродом — управляющим, здесь это тонкий красный провод...
Что интересно, в Чехословакии конструкторская мысль летела тем же маршрутом — на простом ЧС4 установлен стабилизатор ASL2, в котором регулирование тоже идёт за счёт подмагничивания. Правда, там трансформатор и магнитный усилитель выполнены раздельно:
На ЧС4Т и его единоутробном (до близнецовости схем) брате ЧС8 уже установлен тиристорный стабилизатор ASL3, вот вскрытый и частично разобранный на ЧС8:
Устроен он даже проще, чем на ВЛ85: после силового тр-ра стоит полууправляемый мост (два диода и два тиристора), никаких отпаек обмоток — пульсации сглаживаются дросселем и параллельно со стабилизатором включённой батареей. Причём с батареей на ЧСах есть хитрость, упомянутая во вступлении, для чистоты эксперимента взглянем на схему ЧС7 — электровоза постоянного тока, собрата ЧС8:
Видите чёрный переключатель 5662 (566 2-й секции) по центру чуть справа? В нормальной эксплуатации, когда генераторы работают (на ЧС7 тоже генераторы на мотор-вентиляторах, как и на ВЛах), батарея включена в режим «36 элементов» — 36 элементов (банок) включены на питание цепей управления напрямую, а параллельно им через резистор на 140 Ом включены ещё 4 элемента.
ЭДС батареи чуть ниже напряжения генераторов, она заряжается как обычно, а зарядных ток четырёх дополнительных банок удерживается в нужных пределах резистором. Если же мотор-вентиляторы встали или отказали генераторы — переключатель 566 ставится в положение «40 элементов» — все элементы включаются последовательно, резистор выводится.
Напряжение в цепях управления, питающихся от включённой на 40 банок батареи, примерно равно напряжению при работающих генераторах, за счёт чего электровоз работает нормально. Батарея разряжается, напряжение падает, но если банки в порядке, то электровоз должен сохранять работоспособность 2 часа. На ЧС4Т и ЧС8 почти так же, только там не 36 + 4, а 37 + 3. ЭП1 двумя часами от батареи похвастаться не может — если откажет единственный ШП, то на батарее он проедет максимум пару перегонов, микропроцессорная система больно много ест...
А что на технике XXI века? В ХХ веке всё было понятно: на электровозах — 1-проводная схема (плюс по проводам, минус на корпусе) с напряжением 50 вольт, на тепловозах — 2-проводная схема (минус тоже по проводам, от корпуса цепи изолированы) с напряжением 75 или 110 вольт. Новый же стандарт предписывает на всех локомотивах делать 2-проводные цепи на 110 вольт. В этом можно убедиться, взглянув на фото шкафа питания электровоза 2ЭС4К «Дончак», которое было в позавчерашней статье:
Вот фото:
Присмотритесь к вольтметру: на нём 130 вольт. Конечно, это многовато, тут и прибор явно завышает, исправный зарядный агрегат на любом локомотиве с цепями на 110 вольт выдаёт 114 — 116 В. Если заглянуть в кабину другого грузового «постоянника» — 2ЭС6 «Синара», то там на вольтметре цепей управления ровно 110 вольт:
Очевидно, что иметь единое напряжение на тепловозах, электровозах, электропоездах и пассажирских вагонах очень удобно. Почему на 2ЭС5К остались 50 вольт, хотя это почти сверстник 2ЭС4К? Потому что создавался «Ермак» на базе ВЛ65, а это ещё старый 50-вольтовый электровоз. А в «Дончаке» от «Ермака» лишь механическая часть — электрическая спроектирована заново.
Конечно, на новых электровозах постоянного тока цепи управления питает не генератор, а ПСН — электронный преобразователь собственных нужд. На 2ЭС6 тип ПСН менялся от серии к серии, взглянем на наиболее распространённый:
Дальний шкаф понижает высокое напряжение контактной сети (до 4 кВ) до низкого (600 В), а ближний — шкаф преобразователей частоты и зарядного устройства, он уже выдаёт переменный ток на вспомогательные двигатели — того же мотор-компрессора пневматической системы, и постоянный в цепи управления. Цепи немного запутаны, прямо как на ВЛ80, вот упрощённо:
Сперва нестабильное сетевое напряжение понижается до 1 кВ регуляторами напряжения РН3000, в основе которых — IGB-транзисторы. Потом дополнительно напряжение понижается до 600 В преобразователями СТПР600 и подаётся в шкаф ПЧ и ЗУ на три источника питания ИП600 и зарядное устройство ЗУ.
ЗУ работает на зарядку батареи. Первый ИП600 питает самые важные потребители (приборы безопасности, тормозное оборудование, систему управления), и если он отказывает — питание незамедлительно начинает поступать от батареи через диод, при работе ИП диод заперт, так как ИП600 выдаёт напряжение большее, чем ЗУ.
Второй ИП питает менее ответственные потребители, которые при неработающем ИП «садятся» на батарею через контактор КМ18, при работающем он размыкается. Это непропадающее питание — НП. Третий ИП даёт пропадающее питание (почему-то названо ОП) — питает обогрев стёкол, освещение ходовых частей...
Похожим образом устроено питание цепей управления и на 2ЭС4К, и на пассажирском ЭП2К, и на современных электропоездах. Напоследок — пару слов о старых электропоездах. На постояннотоковых старушках ЭР2 напряжение цепей управления — 50 вольт, даёт его динамотор (динамо + мотор), агрегат вроде того, что на трамваях КТМ-5, но побольше:
У двигателя на одном якоре умещаются две независимых обмотки, выведенных на два коллектора по разным концам якоря. Эти обмотки включаются последовательно на напряжение сети (3 — 4 кВ), в результате со средней точки, между минусом и первым коллектором, снимается напряжение 1,5 — 2 кВ, которым питается двигатель мотор-компрессора.
Поэтому этот двигатель называется делителем напряжения. Попутно он приводит генератор управления. Именно динамотор завывает под каждым прицепным вагоном — на моторных (у которых токоприёмники) стоит тяговое оборудование, а на прицепных, в том числе головных, стоит вспомогательное вроде динамотора и компрессора.
На ЭР2Т и её потомке ЭД4М напряжение цепей управления уже 110 вольт, а динамотор зовётся преобразователем — он состоит из простого двигателя и синхронного генератора на 220 вольт. Цепи управления питаются через трансформатор управления (ТрУ) и выпрямитель, помимо них от генератора питаются компрессор, трансформатор возбуждения (ТрВ) и многое другое. Но вагон что от динамотора, что от преобразователя трясётся одинаково, а от компрессора тем более.
В общем, одни проблемы с преобразованием этого постоянного тока. На вагонах метро типа Е (двухглазых) сделано весьма интересно, благо на контактном рельсе всего 700-800 вольт: лампы освещения салона соединены в две гирлянды, начала которых питаются от контактного рельса, а концы соединены с минусом через батарею — батарея заряжается и цепи управления питаются рабочим током ламп:
На более поздних «номерных» вагонах уже стоит хитрый тиристорный блок питания собственных нужд (БПСН), о нём рассказано в статье «ТЭД-22»:
А вот электропоезд ЭР9 — переменный ток, цивилизация. Статические преобразователи (СП) питания цепей управления стоят лишь на головных вагонах, ту же схему унаследовал и ЭД9М. На старых круглых ЭР9 «статик» стоит за загадочным окошком за кабиной, в помещении, называемом бригадами «радиорубкой»:
Думаю, вы без труда опознаете вверху могучие диоды «статика». Более подробно будет в статье об ЭР9, когда она выйдет — а это, увы, нескоро... Ведь о стольком предстоит рассказать, а времени не хватает. Сперва закончим (в целом, не насовсем) общий цикл «ТЭД», потом пойдут электровозы, тепловозы, а на десерт — электропоезда. На этом пока прерываюсь!
Другие публикации канала:
Катастрофа Ту-154М в Иркутске в 1994 году
Маленький храм и маленькая подстанция
Зелёная полоса, часть 4 — АЛСН или локомотивная сигнализация (видео)
Самолёту — задний ход! Часть 4 — торможение винтом (видео)
Общий Телеграм-канал семи авторов Дзена, пишущих о технике:
— — — — — — — — — — — —