4.3.3. Трансформатори і випрямні пристрої

Електровози змінного струму, на яких застосовуються переважно еле­ктродвигуни постійного струму, простіші і зручніші в експлуатації, але во­ни потребують застосування понижуючих трансформаторів і випрямлячів.

Тягові трансформатори (4.17) установлюються на електричному ру­хомому складі змінного струму (електровозах ВЛ60, ВЛ80, ВЛ85 і елект­ропоїздах ЕР9 усіх індексів) та на електровозах з подвійним живленням (ВЛ82). Найчастіше це однофазні трансформатори з примусовою цирку­ляцією масла в системі охолодження типу ОЦР-5600/25, ОЦР-5000/25, ОНДЦЕ-10000/25 і ОЦР-1000/25. В чисельнику приведена типова по­тужність в кіловольт-амперах (кВ χ А), в знаменнику — номінальна на­пруга на первинній обмотці в кіловольтах (кВ).

Трансформатори потребують системного охолодження, для чого вико­ристовується трансформаторне масло і спеціальна система охолодження.

Рис. 4.17. Загальний вигляд трансформатора електровоза (а)

і схема його охолодження (б):

1 — бак; 2 — маслоохолоджувач; 3 — повітропровід; 4 — виводи вторинної обмотки; 5 — розширювач для масла; 6, 8 — кронштейни

установлення контролера; 7 — вводи первинної обмотки; 9 — масляний електронасос; 10 — маслопровід; 11 — пробка; 12 — трубки охолоджувача.

Трансформатор електровоза ВЛ85 має чотири обмотки: мережеву, тя­гову, збудження і власних потреб. На електровозах ВЛ60^к, ВЛ80", ВЛ80^т, і ВЛ80¹ напруга на тягових двигунах регулюється шляхом перемикання секцій вторинної обмотки трансформатора головним контролером за схемою з перехідним реактором. На електровозах ВЛ85 і ВЛ80^р засто­совується безконтактна система плавного регулювання напруги за допо­могою випрямно-інверторного перетворювача (ВІГІ) на тиристорах. В ре­жимі тяги перетворювач працює як регульований випрямляч і дозволяє регулювати напругу на тягових двигунах від нуля до номінального зна­чення. В режимі рекуперації він працює як інвертор, що перетворює постійний струм генераторів, якими стали тягові двигуни, в змінний струм для повернення в контактну мережу.

Випрямні пристрої на електровозах змінного струму пройшли довгий шлях технічного становлення. Спочатку на електровозах змінного струму застосовувались одноанодні ртутні випрямлячі, які через порушення ваку уму часто руйнувались. Більш на­дійними стали електровози з появою кремнієвих випрямлячів (ВЛ60^к, ВЛ80^к). Основу такого випрямляча складають кремнієві напівпровідни­кові вентилі — діоди (рис. 4.18 а).

Кремнієві випрямлячі мають мостову схему, кожний міст має два «вентилі» (діоди), які пропускають струм тільки в одному напрямку. В контур моста включають 1-2 тя­гові двигуни постійного струму і згладжувальний реактор для вирівнювання випрямленого пуль­суючого струму.

Поява кремнієвих вєнтилів-ти-ристорів, що управляються, дала змогу плавно регулювати напругу в режимі тяги і здійснювати рекупе­ративне гальмування (ВЛ80^р, ВЛ85) за допомогою випрямно-інвертор-них перетворювачів.

Випрямно-інверторний перетво­рювач (ВШ-4000) являє собою міст, що складається із восьми плечей, в кожному з яких четверо паралельних електричних ланцюгів тиристорів відповідають чотирьом

Рис. 4.18. Кремнієві вентилі:

а — діод; б — вентиль,

що управляється (тиристор);

/ — наконечник; 2 — гнучкий

зовнішній вивід; 3 — з'єднувальна

втулка; 4 — ізолятор; 5 — кришка

корпусу; 6 — гнучкий внутрішній вивід

; 7 — пластина монокристала

8— корпус мідний;

9 - з'єднувальний стержень корпусу;

10 — вивід електрода, що що управляється

б)

_{а) Π}

Шина-

Рис. 4.19. Мостова схема випрямлення (а) і принципова схема випрямно-інверторного перетворювача (б)

регулювання випрямленої напруги. Вторинна обмотка тягового транс­форматора поділена на три секції і зони регулювання. Таким чином, сило­ва схема електровоза може регулюватись від 0 до 1400 В у чотирьох зонах при трьох секціях вторинної обмотки трансформатора (таблиця 4.2).

Таблиця 4.2. Зони і секції регулювання напруги ВШ-4000

Зони регулювання напруги	Секція тягового трансформатора	Плече ВІПа
Від 0 до 350В	II	3,4,5,6
Від 350 до 700В	І+ІІ	1,2,3,4,5,6
Від 700 до 1050В	11 +III	3,4,5,6,7,8
Від 1050 до 1400В	III+ II +І	1,2,3,4,7,8

Конструктивно ВШ-4000 складається з силового блока і блока жив­лення. Порядок чергового включення плечей силового блока у випрямле­ному (тяговому) та інверторному (рекуперативному) режимах роботи визначається системою управління електровозом (блоком управління БУ ВІП) згідно із заданим алгоритмом. Безконтактна електронна система уп­равління електровозом дає змогу зручно і швидко, протягом декількох се­кунд, змінювати режими руху.

Один прилад ВШ-4000 має вихідну потужність 4000 кВт та випрям­лену напругу 1400 В і може живити два тягові двигуни. Наприклад, на електровозі ВЛ85 передбачається шість таких перетворювачів.

Рис. 4.20. Силовий блок ВШ-4000 (а) і блок тиристорів (б):

I — сталевий каркас; 2 — тиристорний блок; З — дільники струму;

4 — силові тиристори; 5 — панелі; 6 — конденсатори; 7 — шини змінного струму; 8 — шини постійного струму; 9 — тиристор; 10 — охолоджувач;

II — силові виводи; 12 — виводи, що управляються; 13 — панель,

на якій змонтовані всі деталі.

4.3.4. Електричні апарати і прилади електровозів

В електровозах застосовуються електричні апарати і прилади різного призначення.

До них належать:

• струмоприймачі;

• індивідуальні контактори;

• групові контактори і перемикачі;

• головний контролер;

• швидкодіючі вимикачі та захисна апаратура;

• реверсор;

• резистори;

• контролер машиніста (контролер управління);

• реле і вимірювальні прилади.

Струмоприймачі (пантографи) призначені для знімання струму з про­водів контактної мережі в умовах великої швидкості і значного струмового навантаження. На електровозі їх установлюють два: один працює, другий — в резерві. Іноді піднімають і два, наприклад, для зменшення іскріння під час ожеледиці. За конструкцією бувають двоважільні та чотириважільні.

Рис. 4.22. Чотириважільний струмоприймач:

1 — основа на ізоляторах; 2 — два вали нижньої рами; З — підйомні пружини;

4 — опускаюча пружина; 5 — пневматичний привод; 6 — тяга; 7 — циліндр;

8 — амортизатори; 9 — полоз; 10 — каретка; 11 — верхня трубчата рама;

12

12 — з'єднувачі; 13 — ізолятори; 14 — труби нижньої рами.

Рис. 4.21. Двоважільний струмоприймач: 1 — рама; 2 — полоз; 3,4 — важелі.

Двоважільні струмоприймачі з одним полозком (рис. 4.21) установ­люються на електровозах змінного струму, а чотириважільні з двома по­лозками (рис. 4.22) на електровозах постійного струму.

В полоз струмоприймача вставляються змінні контакти, накладки з міді, виготовлені методом порошкової металургії, вугільні вставки чи ме­талокерамічні пластини.

Щоб ковзання полоза по контактному проводі було без іскріння, по­лоз повинен постійно тиснути з постійною розрахунковою силою на провід. Для цього струмоприймач має пневматичний привод і пружини.

Перемикання в силових електричних ланцюгах здійснюється за допо­могою індивідуальних електропневматичних і електромагнітних контак­торів, групових контакторів і контролерів із застосуванням різних видів систем дистанційного управління, перемикачів і вимикачів з дис­танційним управлінням.

Основна вимога до цих при­ладів — це їх надзвичайно велика швидкість вмикання і вимикання для уникнення процесу дугоутво-рення.

На електрорухомому складі найбільш поширені індивідуальні -g електропневматичні контактори типу ПК і електромагнітні контак­тори типу МК-63. Контактор типу ПК (рис. 4.23) має дугогасильні пристрої, пневматичний привод з електромагнітним вентилем, на яко­му установлені блок-контакти. Така конструкція дозволяє миттєво вми­кати і вимикати контакти, поперед­жувати і гасити дугу.

Електромагнітні контактори за­стосовують у допоміжних електро-ланцюгах високої напруги, можуть

Рис. 4.23. Електропневматичний контактор ПК: 1 — дугогасильна котушка; 2 — нерухомий контакт; 3 — рухомий контакт;

Електропневматичний контактор ПК: 1 — дугогасильна котушка; 2 — нерухомий контакт; 3 — рухомий контакт;

4 — ізольована тяга; 5 — дугогасильна камера; 6 — блок-контакт;

7 — пневматичний привод з електромагнітним вентилем; 8 — ізольований

стержень; 9 — кронштейн; 10 — бронзовий важіль; 11 — кронштейн.

бути одно- і двополюсними, з дугогасінням і без нього, з електричним бло­куванням і без нього.

Групові контактори (контролери) об'єднують ряд контакторів такої ж у принципі будови і дії за допомогою кулачкових приводів. Вони засто­совуються для перемикання ступенів пускових резисторів, регулювання тягових двигунів, ослаблення збудження, перемикання ступенів напруги тягового трансформатора.

Перемикаються групові контактори за допомогою електропневматич­ них і електромагнітних приводів. На електровозах постійного струму най­ частіше установлюються двопозиційні групові контактори ПКГ-6; на мо­ торних вагонах електропоїздів, де їх необхідно розміщати під вагонами, за­ стосовуються малогабаритні багатопозиційні контактори; на електровозах ВЛ60^к і ВЛ80 — головні контролери (групові контактори для перемикання ступенів напруги трансформатора) типу ЕКГ-8 (рис. 4.24). Головний кон­ тролер має ЗО кулачкових контакторів без дугогасіння і 4 — з дугогасінням, кулачкові вали і так званий серводвигун (від англ. serve — обслуговувати). З 2 1

Рис. 4.24. Головний контролер ЕКГ-8Ж:

1 — електричний привод (серводвигун з редуктором); 2 — кулачковий контак­тор з дугогасінням; З — кулачковий контактор без дугогасіння.

До захисної апаратури на електрорухомому складі належать швид­кодіючі вимикачі і контактори, високовольтні повітряні вимикачі, автома­тичні вимикачі, розрядники, плавкі запобіжники, захисні реле тощо. Вони призначені для захисту від перенапруження, порушення режимів охолод­ження, пробою ізоляції і напівпровідникових приладів, короткого зами­кання, перевантаження тягових двигунів і допоміжних машин та інших ситуацій з виникненням аварійного режиму, небезпеки для основного об­ладнання і в цілому для електровоза. Всі ці пристрої діють на головний швидкодіючий вимикач, після спрацювання якого припиняється живлен­ня електроенергією електровоза чи електропоїзда.

Швидкодіючі вимикачі різних конструкцій типу БВП-3, БВП-5 за­стосовуються для захисту силових електроланцюгів постійного струму, високовольтні головні вимикачі ти­пу ВОВ-25-4 - змінного струму. Вимикач ВОВ-25-4 має роз'єднувач і розривні дугогасильні контакти, які установлені в гори­зонтальному ізоляторі, що одночас­но є дугогасильною камерою. Ме­ханізми вмикання і вимикання розміщені в так званому силуміновому корпусі, який закріплений на даху електровоза чи моторного вагона При ввімкненому положенні з'єднується з контактом, при відімкненому - із заземленим кронштейном. Час спрацювання вимикача при короткому замиканні не більше 0.004 с

Ряд швидкодіючих контакторів на електровозах і електропоїздах уста­новлюються для захисту тягових двигунів і випрямних пристроїв. Для за­хисту допоміжних електроланцюгів застосовують вимикачі менших розмірів з електромагнітним приводом, а електроланцюгів управління -автоматичні вимикачі більш простої конструкції.

Розрядники призначені для захисту електрообладнання від перена­пруження. В них використовується властивість напівпровідникових ке­рамічних матеріалів (суміш карборунда, графіту і глини) зменшувати опір при підвищенні напруги.

Плавкі запобіжники також використовують для захисту електролан­цюгів високої і низької напруги від перевантаження і коротких замикань пе­реважно в електроланцюгах допоміжних і управління. Вставлені в патрон плавкі пластинки перегоряють, дуга швидко гаситься між пісчинками, одно­часно перегоряє дротик, на якому кріпиться патрон. Час спрацювання 0,02 с

Реверсори призначені для реверсування зміни напрямку обертання тягових двигунів.

Реверсування може здійснюватись двома способами: зміною напрям­ку струму в обмотках збудження, не змінюючи його напрямку в обмотках якоря, і навпаки. На електровозах, як правило, для реверсування двигунів змінюють напрямок магнітного потоку, тобто струму в обмотках збуджен­ня, за допомогою спеціального апарату - реверсора кулачкового типу з контактними елементами, які приводяться в дію кулачковим валом таким же чином, як і в групових перемикачах.

(рис. 4.25) 1-порожнистий горизонтальний ізолятор;

2 - контакт; З - кронштейн заземлення; 4 - ніж роз'єднувача; 5 - поворотний високовольтний ізолятор; 6 - силумшовий корпус; 7 - трубка для стисненого повітря; 9 — опорний ізолятор; 10- нелінійний резистор.

Рис. 4.26. Ящик пускових фехралевих резисторів

1-елемент фехралевого резистора; 2-ізолятор; 3-шина,.яка з’єднує елементи.

Резистори в електровозах і електропоїздах застосовують в силових електроланцюгах для пуску тягових двигунів (пускові реостати), навантаження при реостатному гальмуванні, а також шунтуван­ня обмоток збудження тягових двигунів при послабленні збудження (регу­люванні швидкості). В допоміжних електроланцюгах вони застосовуються для обмеження пускового струму допоміжних машин, а також в конст­рукції різних апаратів і реле. Резистори збирають з елементів, які об'єдну­ють в ящики (рис. 4.26) або монтують на панелях разом з апаратами.

Елемент резистора (рис. 4.27) складається з фехралевої стрічки, намо­таної на ребро у вигляді пружини. Витки її складені в канавки керамічних ізоляторів. До кінців стрічки припаяні мідні виводи з отворами для сполу­чення елементів шинами. Для фехралевих резисторів допускається висо­ка температура нагрівання 600-700 °С, проте, щоб не допустити їх згорян­ня, нагрівання обмежують не вище 450 °С, для чого їх вентилюють спеці­альними вентиляторами.

Рис. 4.27. Конструкція елемента КФ резистора силового електроланцюга:

а — схема будови; б — загальний вигляд;

1 — фехралева стрічка; 2 — керамічний ізолятор з канавками;

З — металевий утримувач; 4 — мідні виводи з отворами.

Для малих навантажень на електровозах застосовують трубчаті дро­тяні резистори різних типів.

До апаратів управління належать контролери машиніста, кнопкові вмикачі-вимикачі для дистанційного управління силовими апаратами, а також реле для автоматичного управління.

Контролер машиніста (контролер управління) призначений для дис­танційного управління роботою тягових двигунів при пуску, електрично­му гальмуванні і реверсуванні, та перемикання силових електроланцюгів при регулюванні швидкості електровоза.

На електровозах постійного струму, а також на електровозах змінного струму ВЛ60^к, ВЛ80^к (без електричного гальмування) контролер машиніс­та (рис. 4.28) виконують з двома валами: головним і реверсивним, суміще­ним з валом ослаблення збудження. Контролер має дві рукоятки управ­ління — головну, за допомогою якої здійснюється пуск і регулювання (має багато позицій), і реверсивну, яка має три позиції («вперед», «на місці», «на­зад»). Реверсивна рукоятка може зніматись (при нульовому положенні) і цим самим блокувати роботу головної рукоятки і всього контролера.

На електровозах ВЛ80', ВЛ80^с, ВЛ80" з електричним гальмуванням контролер має три вали: головний, реверсивний і гальмовий.

Так на електровозі ВЛ80^р контролер машиніста має головну рукоятку у вигляді штурвала з покажчиком зон і положень, гальмову рукоятку з по­кажчиком положень електричного гальмування. Реверсивна рукоятка вставляється у спеціальний виріз гальмового вала, а на плиті кон­тролера влаштований покажчик положень реверсора (див. далі на рис. 4.32).

Реле в електроланцюгах елек­тровоза призначені для автомати­зації процесів управління, захисту електрообладнання тощо. За ха­рактером будови і дії бувають еле­ктричні, теплові, пневматичні. До найбільш важливих реле елек­тровозів можна віднести: реле максимального струмового захис­ту, реле перенавантаження тяго­вих двигунів, диференціальні ре­ле для виявлення замикання на землю в електричних машинах, реле прискорення та гальмування, реле буксування для сигналізації

3

4

Рис. 4.28. Контролер

машиніста електровоза ВЛ8(Ґ:

1 — головна рукоятка; 2 — реверсивна

рукоятка; 3 — контакторний елемент;

4 — головний кулачковий вал; 5 — реверсивний кулачковий вал.

про буксування, реле введення резисторів для обмеження струму, реле по­дачі піску на рейки, інші реле і електромагнітні вентилі.

Вимірювальні прилади призначені для контролю за роботою елект­ричного обладнання електровозів і електропоїздів: амперметри, вольтмет­ри, лічильники електроенергії. Вимірювальні контрольні прилади розмі­щуються на пульті в кабіні машиніста, деякі у високовольтній камері.