История электротехники - Коллектив авторов

Вторично задача создания электропоездов переменного тока с асинхронными ТЭД нашла свое решение в 80-х годах, когда на базе электропоезда серии ЭР9 РЭЗ и Московским институтом инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ) была оборудована асинхронными ТЭД и статическими преобразователями электроэнергии двухвагонная секция.

Секция успешно прошла пусконаладочные и испытательные поездки вначале на Горьковской железной дороге, а на испытательном кольце ВНИИЖТ, но в связи с отделением Латвии дальнейшие работы по созданию электропоезда с асинхронными ТЭД были прекращены.

Третья и наиболее успешная попытка создания электропоезда переменного тока с асинхронными ТЭД была предпринята по инициативе МПС РФ в 1995 г., когда ВЭлНИИ совместно с МИИТ, ВНИИЖТ и Новосибирским научно-исследовательским институтом комплектного электрооборудования (НИИКЭ) создал двухвагонную макетную секцию, одна из тележек моторного вагона которой была оборудована асинхронными ТЭД. Преобразователь электроэнергии был выполнен по схеме двухзонный тиристорный выпрямитель — автономный инвертор тока, причем секция была оснащена микропроцессорной системой автоматического управления режимами тяги и торможения. Успешные тягово-энергетические испытания секции на кольце ВНИИЖТ позволили вплотную подойти к решению задачи создания на НЭВЗ опытного шестивагонного электропоезда переменного тока серии ЭНЗ с асинхронными ТЭД.

На Демиховском машиностроительном заводе ведутся подготовительные работы по созданию электропоезда постоянно-переменного тока серии ЭД6 с асинхронными ТЭД и статическими преобразователями электроэнергии. Преобразователь электроэнергии такого электропоезда двухзвенный. Во входном звене преобразователя установлен импульсный преобразователь постоянного напряжения, а в выходном — автономный инвертор тока, что позволяет унифицировать узел автономный инвертор — асинхронный ТЭД для перспективных электропоездов, предназначенных для линий постоянного и переменного токов.

Необходимо при этом отметить, что по инициативе РАО «Высокоскоростная магистраль» Октябрьской железной дорогой, АО «Сила» в содружестве с МИИТ и ЗАО «Асинхрон» создана и в 1997 г. успешно прошла испытания макетная двухвагонная секция с асинхронным и тяговыми двигателями, преобразовательная установка которой выполнена на отечественной элементной базе.

Наряду с созданием главных тяговых электроприводов с асинхронными ТЭД в России ведутся работы по полной замене приводных электродвигателей постоянного тока для вспомогательных машин асинхронными приводными двигателями.

В 1996 г. на МЛРЗ был испытан образец статического преобразователя электроэнергии, изготовленного АО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) с участием ЗАО «Асинхрон» и предназначенного вместо машинного преобразователя для питания асинхронного двигателя компрессора и бортовых цепей постоянного тока. По откорректированной в результате испытаний макетного образца документации АО «Электровыпрямитель» в 1997 г. был изготовлен опытный образец такого преобразователя с улучшенными характеристиками, который после наладочных испытаний на МЛРЗ поступит для испытаний на кольцо ВНИИЖТ.

Следует отметить, что, несмотря на пионерскую роль СССР в создании электроподвижного состава c бесколлекторными ТЭД, за последние 15 лет ведущим фирмам Германии, Японии, Франции, Италии удалось создать большое количество тяговых единиц с асинхронными (значительно реже с синхронными) ТЭД. Это объясняется в первую очередь тем, что передовые электротехнические фирмы значительно опередили российские предприятия в выпуске современных силовых приборов — GTO-тиристоров и JGBT-транзисторов и модулей на их основе. В настоящее время благодаря использованию современного технологического оборудования положение выравнивается, и, надо полагать, что в ближайшее время будут созданы высокоэкономичные отечественные тяговые преобразовательные установки на силовых полупроводниковых приборах нового поколения.

Еще в начале 90-х годов XIX в. русскими инженерами Л.Г. Кузнецовым и А.И. Одинцовым был разработан проект дизельного тепловоза с электрической передачей, в котором на валу дизеля предлагалось установить трехфазные генераторы переменного тока, питающие ТЭД и приводящие в движение колесные пары локомотива.

В начале XX в. на Коломенском машиностроительном заводе (КМЗ) в числе других был разработан проект тепловоза мощностью 1600 л.с. с электрической передачей, но такой тепловоз создан не был.

В 1924 г. на КМЗ был изготовлен первый отечественный тепловоз с электрической передачей, предложенной ЯМ. Гаккелем. Имея максимальную мощность дизеля, равную 1030 л.с., тепловоз, имевший конечное наименование Щэл 1, был в то время самым мощным в мире (мощность 100 кВт). Первые отечественные тепловозные ТЭД были спроектированы под руководством А.Е. Алексеева.

В дальнейшем развитие электротехнических систем отечественных тепловозов, повторяя, а иногда опережая развитие таких систем за рубежом, шло по пути совершенствования и увеличения мощности тяговых генераторов постоянного тока и ТЭД, а также другого электротехнического оборудования. При этом практически сразу наметились различия в электрооборудовании тепловозов, электровозов и электропоездов в уровне напряжений при принципиально одинаковой структуре преобразования и регулирования потока энергии в непосредственно электрической передаче. Это объяснялось тем, что поскольку тепловоз является автономным (не связанным с контактной сетью) локомотивом, то в нем может быть выбран более низкий уровень напряжения, прикладываемого к ТЭД, что и было сразу же сделано. В дальнейшем это напряжение постепенно повышалось.

Поэтому основные этапы развития электротехнических систем тепловозов и электроподвижного состава совпадают. Как и у электровозов, у которых сначала источником электроэнергии являлась контактная сеть постоянного тока, у тепловозов первых поколений в качестве источников электроэнергии выступали генераторы постоянного тока (с различными типами систем возбуждения). Электродвигатели и другое электротехническое оборудование тепловозов выпускали завод «Динамо», а впоследствии Харьковский электромашиностроительный завод (затем завод «Электротяжмаш»).

В конце 1967 г. Ворошиловградский (впоследствии Луганский) тепловозостроительный завод выпустил первый односекционный тепловоз серии ТЭ109 с электрической передачей переменно-постоянного тока, позволяющей иметь более легкий и надежный главный генератор. Главный синхронный генератор типа ГС-501А был выполнен с независимым возбуждением и принудительной вентиляцией. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на статоре генератора расположены две трехфазные обмотки, одноименные векторы напряжений которых сдвинуты один относительно другого на 30° (электрических). К каждой статорной обмотке подключены входные зажимы трехфазных мостовых диодных выпрямителей, соединенных по отношению к нагрузке (тяговым двигателям) последовательно. Обмотка ротора генератора получает питание от машинного возбудителя через выпрямитель. На тепловозе установлены шесть ТЭД типа ЭД-112А. Предусмотрены две ступени уменьшения магнитного потока.

В дальнейшем развитие тепловозов шло по пути увеличения мощности как за счет увеличения количества тяговых осей, так и за счет увеличения мощности ТЭД, без принципиальных изменений в электрооборудовании.

Начало следующего этапа в развитии электрооборудования тепловозов относится к 1975 г., когда на Ворошиловградском тепловозостроительном заводе был изготовлен первый тепловоз типа ТЭ120 с электрической передачей переменного тока. Тяговый агрегат тепловоза типа А-711 состоит из главного синхронного генератора типа ГС-504А и вспомогательного генератора типа ГС-507 для питания цепей электрического отопления пассажирских вагонов. Такое совмещение в одном агрегате главного и вспомогательного генераторов в отечественном тепловозостроении было осуществлено впервые.

К двум трехфазным статорным обмоткам главного генератора подключены входные зажимы двух мостовых диодных выпрямителей, соединенных по отношению к нагрузке последовательно. К выходным зажимам выпрямителей через индивидуальные трехфазные автономные инверторы напряжения подключены статорные обмотки шести асинхронных ТЭД типа ЭД-900. Уровень напряжения, прикладываемого к ТЭД, регулируется возбудителем главного генератора, а частота этого напряжения — автономным инвертором.

По результатам испытаний опытного тепловоза с асинхронными ТЭД были сделаны рекомендации о выпуске такого тепловоза в двухсекционном варианте, но, как и в случае с электровозами, эти работы были приостановлены из-за отсутствия необходимой элементной базы (силовых полупроводниковых приборов и конденсаторов).