История электротехники - Коллектив авторов

При неавтономном подвижном составе на локомотиве (электровозе или моторном вагоне электропоезда) устанавливают только ТЭД с аппаратурой управления и регулирования (а иногда и преобразователи электрической энергии), первичным источником электроэнергии является электростанция. При этом электроэнергия от электростанции к локомотиву передается через линии электропередачи (ЛЭП) и системы тягового электроснабжения, включающие в себя подстанции и контактную сеть, от которой при помощи токоприемника получают питание ТЭД локомотива.

В зависимости от рода тока в контактной сети различают три системы электрической тяги: постоянного тока, однофазного переменного тока промышленной частоты и однофазного переменного тока пониженной частоты. На железных дорогах России применяются только две первые системы.

В современной системе электрической тяги постоянного тока номинальное напряжение на токоприемнике локомотива составляет 3 кВ. Такой уровень напряжения выбран для возможности согласования с номинальным напряжением

ТЭД, которые изготавливают на напряжение 1500 В (или 750 В) и соединяют на последней позиции регулирования соответственно по два или четыре последовательно. Помимо ТЭД на локомотиве размещают еще и пускорегулирующую аппаратуру. На тяговых подстанциях в такой системе тяги устанавливают понижающие трансформаторы и полупроводниковые выпрямительно-инверторные агрегаты. При этом расстояния между смежными подстанциями не превышают 15–20 км, а площадь поперечного сечения медных контактных проводов достигает 600 мм2 и более, что приводит к значительным расходам цветных металлов.

С целью упрощения устройств тягового электроснабжения применяют систему электрической тяги однофазного переменного тока промышленной частоты, причем напряжение на токоприемнике электровоза составляет 25 кВ. В этом случае на электровозе помимо пускорегулирующей аппаратуры и ТЭД размещают понижающий трансформатор и выпрямительный (или выпрямительно-инверторный) блок, а тяговые подстанции являются чисто трансформаторными. При этом из-за повышенного напряжения расстояние между тяговыми подстанциями можно увеличить до 40–60 км, а сечение контактных проводов уменьшить в 2–3 раза.

Поскольку однофазная контактная сеть получает питание от трехфазной системы внешнего электроснабжения, это приводит к несимметричной загрузке генераторов, трансформаторов и ЛЭП и ухудшает их работу. Кроме того, однофазный тяговый ток оказывает значительное электромагнитное влияние на работу систем автоматики и радиосвязи, что вынуждает принимать специальные меры по обеспечению электромагнитной совместимости тяговых и нетяговых потребителей электроэнергии.

Система электрической тяги однофазного переменного тока пониженной частоты (16 (2/3) Гц в Европе, 25 Гц в США) позволяет устанавливать на локомотиве однофазные коллекторные двигатели переменного тока, получающие питание непосредственно от понижающего трансформатора локомотива и имеющие электротяговые характеристики, аналогичные таким же характеристикам ТЭД постоянного тока. Напряжение на токоприемнике локомотива составляет 15 кВ, а расстояние между тяговыми подстанциями, оборудованными электромагнитными или полупроводниковыми преобразователями частоты и числа фаз, достигает 40–60 км.

Поскольку тяговый подвижной состав, предназначенный для железных дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, а также для автономной тяги, оборудован аналогичными по своим характеристикам ТЭД постоянного (или пульсирующего) тока, а принципиальные схемы систем передачи и регулирования потока энергии от контактной сети ТЭД локомотивов, как было отмечено выше, различны для различных видов электрической тяги, представляется целесообразным рассмотреть отдельно историю развития электротехнических систем электроподвижного состава (электровозов и электропоездов), предназначенного для эксплуатации на линиях, электрифицированных на постоянном и переменном токе, и автономных локомотивов. В дальнейшем будет проанализировано развитие электротехнических систем железнодорожного подвижного состава на примере СССР (а затем России). Это представляется достаточно обоснованным потому, что российские ученые и инженеры на всех этапах развития электрической тяги занимали передовые позиции, а в ряде случаев, например в создании электровоза и электропоезда переменного тока с асинхронными и синхронными тяговыми двигателями и статическими преобразователями электрической энергии, были одними из первых в мире. Среди известных русских ученых, внесших наибольший вклад в создание таких локомотивов, необходимо отметить Е.С. Аваткова, Д.А. Завалишина, Б.Н. Тихменева.

Первые восемь электровозов постоянного тока серии С10 были поставлены в СССР в 1932 г. американской фирмой ДЖИИ, причем только на первых двух были установлены ТЭД американского производства, а на шести последних уже были установлены отечественные двигатели типа ДПЭ-340 мощностью 340 кВт, выпущенные заводом «Динамо». В том же году завод «Динамо» совместно с Коломенским машиностроительным заводом, переработав американскую документацию, выпустил два отечественных аналога электровозов серии СЮ; они начали серию Сс. На всех электровозах этой серии было установлено по шесть ТЭД (масса каждого составляла 4300 кг) номинальным напряжением 1500 В. Для изменения скорости движения поезда использовались три схемы соединения ТЭД (последовательное, последовательно-параллельное и параллельное), причем на каждом соединении использовалось еще и двухступенчатое уменьшение магнитного потока. При рекуперативном торможении якоря ТЭД также имели три схемы соединения. Изменение направления движения осуществлялось посредством изменения направления тока в обмотках возбуждения ТЭД. Дискретное повышение напряжения на ТЭД при пуске достигалось за счет уменьшения сопротивления пусковых резисторов путем закорачивания их отдельных секций, состоящих из чугунных пластинчатых элементов, а впоследствии еще и за счет их параллельного соединения. Электрическая связь электрооборудования электровозов с контактным проводом осуществлялась при помощи двух токоприемников пантографного типа, причем в нормальных условиях работал только один пантограф. Все переключения в цепях пусковых и стабилизирующих (при рекуперации) резисторов осуществлялись индивидуальными пневматическими контакторами. Аналогичные контакторы применялись и в цепях регулирования магнитного потока.

На электровозах серий С10 и Сс было установлено по два мотор-компрессора и по два мотор-вентилятора для охлаждения ТЭД, мотор-генератор мощностью 57 кВт для питания обмоток возбуждения ТЭД при рекуперативном торможении и одноякорный двухколлекторный делитель напряжения (динамотор) с генератором тока управления на общем валу. От динамотора получали питание электродвигатели вспомогательных машин, рассчитанные на напряжение 1500 В.

Для питания цепей управления, сигнализации и освещения, имевших номинальное напряжение 50 В, при неработающих генераторах тока управления использовалась свинцовая аккумуляторная батарея. В качестве регулятора напряжения генератора тока управления использовались аппараты со столбиками угольных дисков.

Защита цепей ТЭД осуществлялась с помощью трех реле перегрузки, воздействующих на быстродействующий выключатель, а цепей электродвигателей вспомогательных машин — с помощью плавких предохранителей. Установленные на электровозах быстродействующие выключатели были сконструированы таким образом, что чем быстрее нарастал ток короткого замыкания, тем при меньшем его значении происходил разрыв их контактов.

В 1933–1934 гг. СССР закупил у итальянской фирмы «Итальяно техномазио Броун Бовери» семь электровозов серии Си, электрооборудование которых было в основном аналогичным электрооборудованию электровозов серий С10 и Сс. Различие состояло в большей мощности ТЭД и выполнении двигателей вспомогательных машин на номинальное напряжение 3000 В, вследствие чего динамотор на них отсутствовал, а генераторы тока управления приводились во вращение от электродвигателей вентиляторов.

В 1932 г. на заводе «Динамо» и в Центральном локомотивопроектном бюро началось рабочее проектирование шестиосного грузопассажирского электровоза серии ВЛ19 с меньшей по сравнению с электровозами серии Сс нагрузкой на рельсы. В отличие от его предшественников на этом электровозе было применено резистор-ное торможение.

В 1936 г. завод «Динамо» выпустил первый шестиосный грузовой электровоз серии СК с тяговыми двигателями типа ДПЭ-340, рекуперативным торможением и значительно улучшенной схемой электрического торможения в отношении использования секций пускового резистора.

В 1938 г. заводом «Динамо» и Коломенским машиностроительным заводом были начаты работы по созданию модернизированного электровоза серии Сс. При сохранении ТЭД типа ДПЭ-340 электродвигатели вспомогательных машин этого электровоза, которому было присвоено обозначение ВЛ22, были выполнены на номинальное напряжение 3000 В. Вместо пантографов с двумя полозами на электровозах были установлены пантографы с одним полозом, имевшие меньшую массу.