Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Вокруг словно стоял ноль по Кельвину. Не пели птицы, не колыхал ветки ветер, даже солнце словно примëрзло к своему невысокому месту на небосводе и сомнамбулически светило неживым, холодным светом. Факел бетонной стелы тоже стоял неподвижно, но выглядел удивительно живо, будто застыл мгновение назад – такой удивительной пластикой наградил его скульптор. Время остановилось... Вдруг морок уральского мороза стряхнуло звоном: потянулась контактная сеть. Задрожали рельсы, из-за угла донëсся перестук проходящего изолирующий стык поезда – мир начал оживать.
Спустя полминуты показался и сам возмутитель спокойствия старухи-зимы: маленькая зелёная «двойка» вытянула из кривой змею сине-голубых новокузнецких вагонов. Двадцать лет назад точно такую же «двойку» с пассажирским поездом в этих местах смяло взрывом газа, а вместе с ними – и встречный ВЛ10 с другим пассажирским, которых вообще там не должно было быть в этот миг. По графику встреча была в другом месте, а не возле роковой ямы...
Не успели сосны скрыть хвост новокузнецкого, как явили взору другую машину – рижский электропоезд, идущий в Кропачëво. Машинист был в кабине, а помощник шёл по составу. Вот он задержался в моторном вагоне, переждал остановку и прислушался. Тележки с грохотом впряглись, завыли редукторы – и всё, тон воя повышался, но громкость шла на нет. Сердце вагона – реостатный контроллер – не стучало, не подкидывало двигателям угля с характерным «бух-бух» под полом. Машинист в кабине мог бы покривиться слабому разгону – но радовался, что состав почти пустой. Залезть бы только на Кропачëво, там два перегона носом вверх: Симскáя – Ерал – Кропачëво...
Наконец «второй пилот» вернулся в кабину:
– три стоя́т!
Командир усмехнулся и набрал номер коллеги:
– Салават, говоришь, два на маневровом? У нас уже три на маневровом! Я в Кропачах если успею – сделаю.
Наконец машина, чуть ли не дымя задержавшимися в работе сопротивлениями, заползла на конечную.
– Алмаз, бросай телефон, пошли мазать! Чë ты там делаешь?
– Ашá пишет!
– Аша... Звать-то её не Аша! Ты ей своë фото подари, она на кухне повесит, чтоб младший брат за сахаром не лазил!
Невысокий, с вразнобой сидящими глазами Алмаз ухмыльнулся во все кривые зубы, но телефон отложил. А чего грустить? Почётный приз в генетической гонке он всё же выиграл: медкомиссию на помощника пройдёт не каждый. Натянув перчатки, он пошёл за машинистом. Тот уже открыл шкафы моторного вагона, щёлкнул одним из пакетников и повернул кран. Под вагоном стукнул БВ, а на крыше упал токоприëмник. Глушить весь состав в такой мороз чревато, но эту секцию надо – лезть в ящик надо глубоко... Теперь это хоть безопасно.
Тем временем помощник спустился, пропахал сапогами снег и, отщёлкнув пару замков, наискосок вытащил крышку, скрывающую привод КСП – контроллера силового пневматического. Подошедший машинист ловко выкрутил болт на цилиндре, сунул внутрь нос флакона из-под краски для волос и влил в цилиндр масла. Болт на место, теперь второй цилиндр... Навалившись на привод, получилось достать и его. Авось масло и размочит примёрзшие манжеты поршней привода – и КСП вновь заработает, вернув двигателям секции полную мощность. Впереди ещё два привода.
До сих пор в цикле «Труженик электродвигатель» разбирались в основном локомотивы, а моторвагонный подвижной состав или просто МВПС был в стороне. В статье «ТЭД-22» рассказано о преобразователе собственных нужд вагонов метрополитена, в «ТЭД-24» – о схеме мостового перехода, применённой на старушках ЭР1 и ЭР2, в «ТЭД-29» – о динамоторе той же ЭР2 и хитрой схеме зарядки батарей старых вагонов метро, а «ТЭД-30» рассказывает о муфте и редукторе привода электропоездов. А ведь на электропоездах буквально всё не так, как на «больших» машинах.
Хотя кто тут большой – ещё можно поспорить: по сути ведь электропоезд представляет собой 2 ... 6 электровозов, работающих по системе многих единиц, оборудование которых компактно упрятано в самое неблагоприятное место – под кузов. 12-вагонный электропоезд – те самые «6 электровозов» – длиной почти 300 метров, никакому электровозу не снилось! Как организовано управление такой сложной машиной, как размещено оборудование, в чём отличия от электровозов и сходства с ними – в сегодняшнем выпуске нашего журнала.
Для начала надо вспомнить, что в СССР дороги электрифицировались постоянным током 3,3 кВ и переменным 27,5 кВ. Поэтому Рижский завод, а впоследствии и Демиховский, выпускал очень похожие электропоезда на оба рода тока. Двухсистемных, к сожалению, не делал, поэтому беспересадочных электричек Екатеринбург – Красноуфимск или Новосибирск – Барнаул не существует... Головные вагоны можно различить лишь по подвагонному оборудованию да иногда по сопротивлениям на крыше, моторные же различить легче. Вот демиховцы – ЭД4М выпуска 2009 года и ЭД9Т выпуска 1996:
На самом передке вагона (у любого «мотора» есть голова и хвост) возле токоприёмника у ЭД9Т стоит воздушный выключатель переменного тока (ВВ, показан стрелкой), а у ЭД4М его нет. От ВВ к середине вагона на высоких изоляторах тянется шина – на постоянном токе тоже ничего такого нет. Подвагонного оборудования на переменном токе тоже раза в полтора больше – помимо аппаратных ящиков там ещё подвешен бак трансформатора, а у «постоянника» подвагонное «полупрозрачное».
О воздушном выключателе, который на электровозах называется главным выключателем (ГВ), рассказано в статье «ТЭД-25»:
Но главное – сам вагон ЭД4М равномерно «полупрозрачный», а у ЭД9М в середине вагона есть одно узкое окно – как раз где нанесён логотип p/d. В салоне к глухому пространству между окнами примыкает некий шкаф:
Это что, отхожее место? Не совсем. Сходить туда можно один раз и ощущения будут острыми:
Это шкаф высоковольтного ввода. Согласно ПТЭ ЖД РФ – правилам технической эксплуатации – расстояние от токоведущих частей до ограждений должно быть на постоянном токе 3,3 кВ не менее 200 мм, а на переменном 27,5 кВ – не менее 270 мм. Именно на таком расстоянии от стен шкафа шина спускается с крыши. Разумеется, дверь снабжена блокировкой, показанной стрелкой – при открытии отключается ВВ и токоприёмник «падает».
Через крышу «высокое» с шины в кузов попадает через ТПОФ-25 – такой же проходной изолятор с трансформатором тока, как на электровозе:
Видны провода, отходящие от трансформатора тока в цепи защиты. Далее киловольты снова покидают кузов по обычному проходному изолятору и текут в подвагонный ящик ввода:
Вот как он выглядит изнутри, справа – выводы первичной обмотки трансформатора, причём по маркировке ИПТ-35 ясно, что они унифицированные, взяты с общепромышленных установок yf 35 кВ:
А вот если взглянуть на новый электропоезд ЭП3Д, который по сути внук ЭД9М с «противоударным» носом, то видно: в моторных вагонах все окна прорезаны равномерно, «сбита нога» лишь в головных вагонах возле реальных отхожих мест, показано стрелкой:
Однако подвагонный ящик ввода остался на своём месте, равно как и внутри вагона ввод идёт за логотипом p/d – вон какой пацан сидит наэлектризованный:
На части последних ЭД9М, на ЭД9Э и всех ЭП3Д ввод выполняется кабельным. Во времена СССР технологий надёжного каблирования линий высокого напряжения в мире ещё не существовало, были только маслонаполненные кабели. На первых ЭР9 ввод сделали именно таким кабелем, но масло со временем собиралось внизу и верхнюю часть кабеля пробивало. Поэтому поставили шкаф. На машинах постоянного тока изначально не стояло такой проблемы – напряжение на порядок ниже.
А сейчас, когда появились высоковольтные кабели с изоляцией из этилен-пропиленовой резины и сшитого полиэтилена, вводы переменного тока стали делать из них. Кабель проложен изнутри по стенке вагона и прикрыт небольшим коробом. А теперь пора идти дальше – за пределы первичной обмотки. Вот силовая схема моторного вагона ЭД9М:
Слева вверху – трансформатор и контроллер силовой пневматический (КСП), слева внизу – якоря тяговых двигателей, справа внизу – обмотки возбуждения, справа вверху – вспомогательные цепи. У трансформатора, как видим, один «базовый» вывод – номер 8, и восемь выводов, включённых через контакты силового контроллера – 1, 2, 3, 4, 0, 5, 6, 7. Общее напряжение – 1744 В, напряжение между двумя соседними отпайками – 218 В.
Силовой контроллер – аппарат регулирования напряжения на двигателях. В статье «ТЭД-15» подробно рассказано о контроллере ЭКГ-8Ж электровозов ВЛ60, ВЛ80, который, как и КСП, стоит на вторичной стороне трансформатора:
На электровозах ЧС переключатель стоит на первичной стороне тр-ра, что показано в статье «ТЭД-13», но суть в другом: на электровозах переключатели могут крутиться как «тудак», так и «судак» – на набор и на сброс. Тягу можно как добавлять, так и убавлять. На электропоездах и городском транспорте иначе – контроллер крутится лишь «тудак», на набор.
Убавить же тягу можно только через полный сброс – контроллер сделает полный круг, вернётся на первую позицию и можно набираться снова. Но с мощью электропоездов это не проблема: если ненадолго «бросить газ» на грузовом поезде – можно и встать на подъёме, а наш герой вытянет. Зато за счёт хода лишь в одну сторону КСП намного проще ЭКГ. Стоит контроллер в ящике недалеко от трансформатора:
Само собой, на крышке ящик тоже есть блокировка, показана стрелкой. Вот снятый с вагона КСП:
Привод у контроллера пневматический, системы Леонида Николаевича Рéшетова. Два поршня стоят на общем штоке оппозитно и через подшипники нажимают на лучи трёхконечной звезды, поворачивая её. За счёт того, что лучи у звезды немного косые, поворачивается она всегда в одну определённую сторону. Далее через понижающий редуктор, шестерни которого на снимке отлично видно, вращение передаётся кулачковому валу.
Каждый ход штока влево либо вправо – поворот привода на 60°, соседний луч как раз подставляется под второй подшипник. Кулачковый вал при этом поворачивается на 18°, всего у КСП двадцать позиций (18 × 20 = 360). Так как крутится КСП лишь в одну сторону, то почти все его контакты работают лишь на замыкание тока, рвать ток и гасить дугу им не приходится, поэтому дугогасительные камеры (ДГК) стоят лишь на двух элементах – ослабления возбуждения. О дугогашении и устройстве контакторов рассказано в статье «ТЭД-3»:
Исходное положение – первая позиция, минимальная тяга, поэтому включается и отключается тяга другими аппаратами – линейными контакторами (ЛК). Они стоят в другом ящике:
Привод у ЛК пневматический, на каждом стоит вентиль подачи воздуха в привод, а в углу ящика стоит неизменная блокировка, показанная неизменной стрелкой:
Самое веселье начинается, когда одна из блокировок дребезжит и вагон периодически «падает». А на некоторых сериях поездов блокировка одного вагона отключает весь состав... Вот отдельно лежащие линейные без дугогасительных камер:
Хорошо видно, как изъедены гаснущими дугами контакты и дугогасительные рога. А теперь самое время заглянуть в кабину и обратить внимание на позиции контроллера машиниста:
Над ступицей штурвала видны стрелки «Ход» (по часовой) и «Тормоз» (против), а слева указаны номера позиций. Позиций электрического торможения целых пять, но о них позже, а на тягу – всего две, М и 1. Прямо коробка-автомат! Она и есть: КСП вагонов набирают позиции автоматически под контролем реле ускорения, следящего за током двигателей. По этому же принципу работают схемы электропоездов метро и вагоны наземного городского транспорта. Для примера можно заглянуть в третью аппаратную раму трамвая Tatra T-3SU:
Рядом стоят два похожих реле с разнотипными катушками – реле-регулятор RG и ограничительное реле OR. Реле-регулятор управляет возбуждением генератора, поддерживая напряжение цепей 24 вольта, а OR управляет двигателем ускорителя – это татровский брат КСП. Силовая обмотка реле включена в силовую цепь тяговых двигателей.
Пока ток двигателей меньше заданного – якорь реле с подвижным контактом отведëн пружиной. Как только ток достигнет заданного – якорь притягивается и вращение вала ускорителя останавливается. Трамвай разгоняется, пока ток не упадёт ниже заданного. Тогда якорь отпускает и ускоритель продолжает вращаться на повышение напряжения на двигателях. Реально схема работает сложнее, но об этом – в будущей статье о Татре. К слову, совершенно такое же RG стоит и на тепловозе ЧМЭ3, только там генератор выдаёт 110 вольт.
На электропоездах всё так же, на старых машинах реле называется реле ускорения (РУ), на более новых, начиная с ЭР9Е, стоит электронный блок реле ускорения – ЭБРУ. Машины с РУ можно узнать по выключателю «Пониженное ускорение» на пульте:
Если он выключен – уставка реле (порог срабатывания) обычная, для ЭР9П это 365 ампер. Но при мокрых или, например, загрязнëнных смазкой рельсах при разгоне с таким током колёсные пары будут срываться в боксование, поэтому выключателем уставку можно снизить до 260 А. У машин с ЭБРУ на пульте стоит галетный переключатель, которым можно выбрать одну из семи уставок:
Итак, нужно тронуться. Клапан автостопа включён, реверсивная рукоятка ставится в нужное положение и контроллер ставится на позицию М – маневровую. Включаются ЛК и на двигатели подаётся минимальное напряжение, но КСП пока стоят. На малой скорости можно двигаться, включая и отключая тягу щелчками контроллера между 0 и М, не беспокоя КСП, поэтому позиция и называется маневровой.
Если же поставить контроллер в 1 – силовые контроллеры пойдут на набор под контролем РУ/ЭБРУ. Набор в любой момент можно задержать, вернув контроллер в М. Если при трогании с места поставить штурвал сразу на 1, то КСП перейдёт на 2-ю позицию и остановится – его остановит РУ. Через пару секунд, когда ток двигателей спадëт, КСП перейдёт на 3-ю и снова остановится. И так далее. А если поставить штурвал в 1 на большой скорости, то КСП будет вращаться непрерывно – скорость большая, она сбивает ток.
При сбросе контроллера на 0 сразу выключаются ЛК, но КСП сразу вернуться на первую не могут – они должны сделать полный круг, перебрав все позиции. Пока не переберут – снова включить тягу нельзя, ЛК могут включаться лишь при нахождении КСП на первой. Например, надо набрать скорость 40 км/ч. Маневровой позиции для этого мало, поэтому машинист поставил штурвал в 1, дал КСП набрать несколько позиций и вернул в М. Скорость подошла к 40, штурвал сброшен в 0, линейные отключили двигатели, а КСП пошли щëлкать на первую. Характерные мягкие удары привода под полом моторного вагона в эти моменты хорошо слышно – редукторы не ревут, в салоне относительно тихо.
Благодаря такому автоматическому управлению, когда каждый вагон знает заданный ток и сам его поддерживает, удаётся без проблем управлять несколькими вагонами из одной кабины, даже не зная токов их двигателей. Ведь на пульте электропоезда нет амперметра – только киловольтметр контактной сети:
Кто-то, возможно, по схеме выше попытался найти путь тока в другой полупериод переменного тока в обмотке трансформатора – и не смог. И правильно – на первой позиции КСП к двигателям идёт лишь одна полуволна переменного тока, выпрямительная установка работает как однополупериодная! Она вообще весьма хитра – в ней есть главные вентили (ВГ1, ВГ2), работающие чисто на выпрямление, и переходные (ВП1 ... ВП4), они исключают короткое замыкание соседних отпаек трансформатора.
На электровозах для этого служат, как рассказано в статьях «ТЭД-13» и «ТЭД-15», сопротивления – ленточные на ЧС и индуктивные переходные реакторы на ВЛ. В схеме электропоезда ничего такого нет, есть лишь переходные диоды. На ЭР9П, ЭР9М выпрямительная имеет активное охлаждение от вентилятора (кто не помнит дрожь земли моторного вагона – тот на ЭР9П не ездил), а начиная с ЭР9Е и масло трансформатора, и ВУ переведены на естественное охлаждение – об этом и говорит буква Е. Эти агрегаты хорошо видны с правого борта вагона:
С лицевой стороны видны лишь радиаторы, а вскрыть выпрямительную и увидеть диоды можно лишь из-под вагона:
Розовые таблетки – и есть лавинные диоды:
Вот как выглядит схема на, допустим, седьмой позиции КСП, когда замкнуты контакторные элементы (КЭ) 3, 4 и 11. В плюсовую полуволну, когда на тр-ре справа плюс, слева минус, ток течёт через ВГ1, двигатели и возвращается через ВП4 и контактор ГК 4. Почему не через ВП3 и контактор 3, ведь это параллельная цепь? А потому что через ВП4 легче – между выводами 8 и 0 напряжение выше, чем между 8 и 5.
Одновременно ВП3 исключает короткое замыкание секции обмотки 0-5 – ток и рад бы протечь через КЭ 3, выпрямительную и вернуться через КЭ 4, но упирается в ВП3. В минусовую полуволну, когда плюс справа, току нет пути с вывода 0 на вывод 8 – КЭ 12 разомкнут, цепи на ВП2 нет. Зато есть путь от отпайки 5 через КЭ 3 и 11 к ВП1.
В итоге в минусовую полуволну к двигателям идёт несколько меньшее напряжение (654 В), чем в плюсовую (872 В) – выпрямленное напряжение получается немного «кособоким». За счёт индуктивности реактора ГТ и обмоток возбуждения это кособокое худо-бедно сглаживается в средние 763 В. На 8-й позиции замыкается КЭ 12 и току во второй полупериод открывается дорога к ВП2 – к двигателям идут чистые 872 вольта.
А с отпайки 5 через КЭ 3 уже к двигателям ничего не течёт, поэтому его совершенно безболезненно можно отключить – что и произойдёт при переходе на 9-ю позицию. Поэтому почти контакторы КСП и выполнены без дугогашения. Но в обратную сторону это не работает: если провернуть вал с 8-й позиции на 7-ю, то контактору 12 придётся разорвать ток. Поэтому КСП конструктивно приспособлен к вращению лишь в одну сторону и для работы на электровозе не годится.
Тем временем – 9-я позиция, отключаются КЭ 3 и 11, через которые на 8-й позиции тока нет, зато включается 5-й:
Среднее выпрямленное напряжение снова повышается на половину напряжения отпайки – до 981 В, а диоды ВП3 и ВП4 предотвращают короткое замыкание секции трансформатора 4-0. На 10-й позиции замыкается контактор 11, напряжение на двигателях повышается «до полного бака» отпайки 4. А у секции 4-0 появляется возможность бабахнуть коротким по цепи КЭ 5-11-12-4, но ВП1 и ВП2 стоят на защите Родины – для тока короткого замыкания они включены встречно и непроницаемы.
На последних позициях КСП напряжение не растёт, включаются контакторы Ш1 ... Ш6 ослабления возбуждения двигателей. Включаются они в разных комбинациях, при переходе с 19-й на 20-ю контакторы Ш1 и Ш4 размыкаются, поэтому на них стоят дугогасительные системы – катушки с камерами:
Воздух в цилиндры КСП подаётся двумя вентилями, они сняты, зелёными стрелками показано, куда вентиль ставится. Зимой привод порой замерзает и останавливается, и с этим борются где как: где заливают в цилиндры спирт, где моторное масло (как во вступлении), а где-то, как на снимке, рубят на корню – обматывают цилиндры греющим кабелем с теплоизоляцией. И проблема уходит.
Статья уже получилась в десять страниц и тридцать снимков – и это только работа моторного вагона переменного тока! Из каких трёх типов вагонов составляются электропоезда и что такое секции, можно ли опустить токоприёмники из нерабочей кабины, как работают поезда постоянного тока, что скрывается в тамбурных шкафах – обо всём этом будет рассказано во второй половине статьи через несколько дней. Будет выпущено и видео из кабины с демонстрацией работы аппаратов.
Несмотря на то, что Дзен окончательно сказал авторам "спасение утопающих – дело рук самих утопающих", я ни Премиум, ни донаты подключать не собираюсь. А если кто-то хочет подкинуть средств на оплату интернета и новый монитор, который скоро придётся приобретать (у старого уже вылетели два столбца) – это можно сделать на карту зелёного банка:
4276 5400 1933 6647
Иван С. В.
Обновления также публикуются на нашем объединённом Телеграм-канале «Всё, что движется»:
По теме авиации вчера вышел ролик о вращающейся форсунке омских газотурбинных малышей, а на стыке астрономии и железной дороги в группе ВК вышло видео «Вечерние грузовые и лунное затмение».
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—
