5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

уникальных разработок систем ориентации, электроприводов с бесконтактными электрическими машинами и др.

В середине 1940-х гг. были разработаны первые отечественные автоматические линии станков: для обработки головки блока цилиндров тракторного двигателя (ЭНИМС, завод «Станкоконструкция»), для обработки блока цилиндров двигателя грузового автомобиля (Станкостроительный завод им. С. Орд-жоникидзе) и др. Появились первые заводы-автоматы с автоматизированными основными и вспомогательными производственными процессами.

5.2.6. Электроприводы со статическими преобразователями. «Дополупроводниковый» электропривод

В 1935 г. А. Г. Иосифьяном (ВЭИ) разработана первая версия электропривода с преобразователем на тиратронах, в 1939 г. в ВЭИ создан регулируемый в большом диапазоне электропривод постоянного тока с питанием двигателя от тиратронного преобразователя или ртутного выпрямителя – прообраз широко распространенных сегодня регулируемых электроприводов по системе «статический преобразователь – двигатель». Одним из первых его практических применений была шахтная подъемная машина, разработанная ВЭИ, ЛПИ и ХЭМЗ и пущенная в эксплуатацию в 1940 г.

С 1949 г. электроприводы с ртутными выпрямителями широко внедрялись в качестве главных приводов прокатных станов. К 1948–1950 гг. относится появление отечественных вентильных каскадов на прокатных станах с введением в цепь ротора главного асинхронного двигателя управляемого ртутного выпрямителя.

Практическая реализация электроприводов осуществлялась заводами «Электросила», ХЭМЗ, «Динамо», им. Я. М. Свердлова, им. С. Орджоникидзе и многими другими.

К середине 50-х гг. ХХ в. сформировалась теория и практика «дополупроводникового» электропривода. Были созданы и получили широкое признание учебники по электроприводу: С. А. Ринкевича «Теория электропривода» (1938), А. Т. Голована «Электропривод» (1948), Д. П. Морозова «Основы электропривода» (1950), В. К. Попова «Основы электропривода» (1951) и многие другие. Особенно следует отметить учебник М. Г. Чиликина «Общий курс электропривода», вышедший в 1953 г., выдержавший шесть изданий и внесший (благодаря фундаментальности и доступности изложения) весомый вклад в подготовку специалистов в области электропривода в СССР.

В этот период стали общепринятыми основные технические решения: асинхронный с двигателем с короткозамкнутым ротором и синхронный электроприводы, если скорость не регулируется; электроприводы постоянного тока (система Г–Д, П–Д) или в отдельных случаях (краны и пр.) асинхронный электропривод с двигателем с фазным ротором, если нужно регулировать скорость или момент. В цепях возбуждения машин постоянного тока применялись ЭМУ, тиратронные выпрямители или магнитные усилители. Исполь-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

зовалось много разнообразных решений: магнитные усилители в цепи статора асинхронного двигателя, импульсное регулирование, машины двойного питания, электрический вал и т. п.

В1950-х гг. в США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, получившие впоследствии широкое использование в практике разработки управляемого электропривода.

Таким образом к середине ХХ в. основные усилия теоретиков и практиков в области электропривода были направлены на решение задачи создания эффективных регулируемых электроприводов, вместе с тем основная масса (более 95 %) электроприводов оставалась нерегулируемой.

5.2.7.Полупроводниковыеприборывэлектроприводе

Впослевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г. Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В конце 1950-х – начале 1960-х гг. на первых, еще очень несовершенных силовых транзисторах (ток – 5 А, напряжение – 60 В), работавших в ключевом режиме, было построено множество оригинальных схем для питания маломощных двигателей и для цепей возбуждения мощных двигателей, например известный преобразователь Ройера (рис. 5.12), преобразовывавший постоянное напряжение в прямоугольное переменное с управляемой частотой, и множество модификаций этой схемы. В технику электропривода начал входить управляемый ключ и построенные на его основе устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода оказал тиристор – мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955 г. усилиями Дж. Молла, М. Танненбаума, Дж. Голдея и Н. Голоньяка (США). Появление тиристоров

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и тиратронов и полностью перейти на управляемые тиристорные выпрямители (рис. 5.13) как в цепях возбуждения, так и в силовых цепях электроприводов постоянного тока. На рис. 5.14 и рис. 5.15 приведены диаграммы развития соответственно аппаратной базы электропривода и цепей возбуждения крупных прокатных двигателей, годы указаны приближенно [15].

Логические

элементы

Рис. 5.14. Развитие электропривода

1961–1963 гг.

Рис. 5.15. Управление возбуждением крупных прокатных двигателей

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

В 1970-е гг. в Институте электродинамики АН УССР и в МЭИ были проведены исследования оригинальной системы «параметрический источник тока

– двигатель постоянного тока» (рис. 5.16), позднее широко используемой

вагрегатах кабельной промышленности, в ряде технологических линий, лебедках, нагрузочных устройствах и т. п.

5.2.8. Системыподчиненногорегулирования

Транзисторы и многочисленные устройства на их основе позволили перейти к практической реализации ряда эффективных идей в области систем управления электропривода.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная еще в середине 1950-х гг. Кесслером (ФРГ) и состоявшая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Сложная система строится как совокупность отдельных, но подчиненных один другому контуров (тока, скорости, положения и др.), каждый из которых оптимизируется отдельно посредством своего регулятора (рис. 5.17).

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

Рис. 5.17. Система подчиненного регулирования координат электропривода

Во ВНИИэлектроприводе в 1960–1970-е гг. были созданы нашедшие широкое применение в промышленности комплексы средств управления электропривода – аналоговая ветвь УБСР-АИ и цифровая ветвь УБСР-ДИ. Эти технические средства сыграли заметную роль в практическом развитии электропривода, поскольку они унифицировали, упрощали, сокращали время наладки и пуска сложных систем регулируемого электропривода постоянного и переменного тока с преобразователем частоты с непосредственной связью (ПЧНС).

К указанному периоду относится завершение в МЭИ (В. И. Ключев) комплекса работ, связанных с исследованием механической части привода с упругими связями, ее взаимодействия с электрической частью. Были успешно решены проблемы синтеза сложных электромеханических систем, где в полной мере использовались идеи подчиненного регулирования координат.

Тогда же в ЛЭТИ были развиты оригинальные идеи управления сложными взаимосвязанными электромеханическими объектами.

Большое внимание уделялось проблемам электромагнитной совместимости электроприводов с питающей сетью (ГПИ «Тяжпромэлектропроект»), что отражало расширяющееся применение электроприводов с тиристорными преобразователями и современными средствами управления.

5.2.9. Микропроцессорывэлектроприводе

Создание в США на рубеже 1960–1970-х гг. четырехразрядного однокристального микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) PDP 14 ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода. Уже в 1970-е гг. в мировой практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле, к 1980-м гг. схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК.

В сравнении с устройствами монтажной логики ПЛК обладает высокой гибкостью при отладке, он не зависит от объекта управления, снижает расходы на разработку, программирование, тестирование и запуск изделия, очень компактен, имеет высокую надежность, упрощает обслуживание системы

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

привода. ПЛК может выполнять вычисления, обеспечивать регулирование, принятие решений, наблюдение за отработкой алгоритма управления.

В сравнении с мини-компьютером ПЛК существенно проще, он ориентирован на непосредственное общение с объектом управления. На рис. 5.18 показаны зоны рентабельного использования различных технических средств управления.

Специализированная

микропроцессорная

система

Число входов

Рис. 5.18. Области рентабельного использования различных технических средств управления

По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко, почти скачкообразно, наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий.

5.2.10. Современныйэлектропривод

Концептуальные изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала – полностью управляемые ключи, появившиеся на рынке в последние 6–7 лет, и средства управления ими. Фирмы «Тошиба», «Сименс» и др. выпустили силовые транзисторы IGBT на токи до 600 А, напряжение до 1200 В с частотами 30 кГц и выше. Эти приборы, объединенные в модули со встроенными быстрыми обратными диодами и управляемые указанными выше современными средствами, послужили ос-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

новой для построения преобразователей частоты со структурой «неуправляемый выпрямитель – LC-фильтр – автономный инвертор с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ)» (рис. 5.19), ставших основным техническим решением в регулируемом электроприводе переменного тока мощностью до 600 кВт. Преобразователи более мощных приводов строятся на полностью управляемых тиристорах GTO, в бытовых и других электроприводах низкого напряжения используются приборы MOSFET.

Интенсивно осваиваются новые виды регулируемого электропривода – вентильно-индукторный, с другими нетрадиционными электрическими машинами. В микроприводе миниатюрных роботов применяются тонкопленочные диэлектрические двигатели.

С конца прошлого века в мире интенсивно реализуется тенденция перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях: насосы, вентиляторы, конвейеры и т. п., благодаря чему резко повышается технологический уровень оборудования, экономятся значительные энергетические ресурсы.

Электропривод сформировался сегодня как система, осуществляющая управляемое электромеханическое преобразование энергии и состоящая в общем случае из электрического (ЭП), электромеханического (ЭМП) и механического (МП) преобразователей, образующих силовой канал, измерительных преобразователей (ИП), преобразующих информацию, и управляющих устройств, входящих в информационный канал (рис. 5.20).

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

Рис. 5.20. Структура современного электропривода

Электропривод обеспечивает механической энергией подавляющее большинство агрегатов, связанных с движением во всех сферах человеческой деятельности, и может в силу этого рассматриваться как главный поставщик механической энергии, полученной из электрической в результате электромеханического преобразования. Будучи управляемой системой, электропривод взаимодействует через информационный канал с системами управления более высокого уровня и служит для них силовым интерфейсом с технологическими процессами.

Практически все процессы в современных технологиях, связанные с механической энергией и движением, осуществляются электроприводом. Исключение составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава и судов), использующие неэлектрические двигатели и не имеющие электрических передач.

Столь широкое, практически повсеместное, распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии – возможностью экономично передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью

киспользованию, легкостью превращения в другие виды энергии.

Вприборных системах сегодня используются электроприводы мощностью в единицы микроватт, мощность электропривода компрессора на пере-

качивающей газ станции – десятки мегаватт, т. е. диапазон мощности современных электроприводов превышает 1012. Такой же порядок имеет диапазон частот вращения: в установках для выращивания кристаллов полупроводников вал двигателя должен делать один оборот за несколько часов при жестких требованиях к равномерности движения, тогда как частота вращения шлифовального круга может достигать 150 000 об/мин.

Современный электропривод находит самое широкое применение: от

искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора или насоса до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность электропривода – теснейшее взаимодействие с обслуживаемой технологической сферой – определяет его развитие и совершенствование.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитиемагистральногоэлектротранспорта

5.3.1.Железнодорожныйтранспорт

Внаиболее развитых странах мира еще в XIX в. предпринимались попытки использовать электрическую энергию для перемещения экипажей,

втом числе по рельсовому пути.

Различают два вида железнодорожного тягового подвижного состава: автономный и неавтономный. При автономном подвижном составе на локомотиве (тепловозе или моторном вагоне дизель-поезда) устанавливают первичный дизельный двигатель, приводящий во вращение генератор (постоянного тока или синхронный), от которого получают электроэнергию тяговые электрические двигатели (ТЭД), связанные с колесными парами и обеспечивающие перемещение подвижного состава по рельсовому пути.

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.

Взависимости 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.

Всовременной 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 расстояние между смеж-

ными подстанциями не превышает 15–20 км, а площадь поперечного сечения медных контактных проводов достигает 600 мм2 и более, что приводит к значительным расходам цветных металлов.

Сцелью 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 вы-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

прямительно-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 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. Далее будет проанализировано развитие электротехнических систем железнодорожного подвижного состава на примере СССР (а затем России): 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.

Электровозы. Первые восемь электровозов постоянного тока серии СЮ были поставлены в СССР в 1932 г. американской фирмой «Дженерал электрик компании», 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

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

машиностроительным заводом, переработав американскую документацию, выпустил два отечественных аналога электровозов серии СЮ, положившим начало серии Сс (рис. 5.21). 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-парал- лельное 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.

Рис. 5.21. Электровоз серии Сс

На электровозах серий СЮ и Сс было установлено по два моторкомпрессора и по два мотор-вентилятора для охлаждения ТЭД, моторгенератор 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 ди-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

намотора 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 защита 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.

В1933–1934 гг. СССР закупил у итальянской фирмы «Итальяно техномазио Броун Бовери» семь электровозов серии Си, электрооборудование которых было в основном аналогичным электрооборудованию электровозов серий СЮ 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.

В1932 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 резисторное торможение.

В1936 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.

В1938 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

содним полозом, имевшие меньшую массу.

В1940 г. завод «Динамо» изготовил шесть ТЭД типа ДПЭ-400, которые были предназначены для замены двигателей на электровозах серий ВЛ22, ВЛ19, Сс и СК без реконструкции механической части.

Последний электровоз серии ВЛ22 был построен на заводе «Динамо»

в1946 г., после чего их выпуск был освоен на созданном на базе разрушенного во время войны паровозостроительного завода Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ). Первому электровозу НЭВЗ было присвоено обозначение ВЛ22м. Электрические схемы силовых цепей и цепей управления электровозов серии ВЛ22м с рекуперативным торможением незначи-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

тельно отличались от аналогичных схем электровозов серий ВЛ22 и Сс, что позволяло этим электровозам работать по системе многих единиц.

В1953 г. на НЭВЗ был изготовлен первый двухсекционный восьмиосный грузовой электровоз постоянного тока серии Н8. Восемь ТЭД типа НБ-406А имели три группировки, на каждой из которых имелось по три ступени уменьшения магнитного потока.

Для уменьшения мощности и массы мотор-генераторов в режиме рекуперативного торможения была применена схема с циклической стабилизацией без стабилизирующих резисторов.

В1963 г. эти электровозы получили обозначение ВЛ8 и строились по 1967 г. включительно.

Электровозы серии ВЛ22м, предназначенные специально для обслуживания поездов на горных участках, не отвечали условиям эксплуатации на линиях с холмистым и равнинным профилем. Поэтому в 1954 г. на НЭВЗ был разработан эскизный проект нового шестиосного грузового электровоза серии ВЛ23 с ТЭД типа НБ.

Вспомогательные электрические машины и аппараты были унифицированы с электровозами серий ВЛ22м и ВЛ8.

Кначалу 1960-х гг. электровозы серии ВЛ8 с тяжелыми литыми тележками уже не отвечали возросшим требованиям к локомотивам такого класса. Кроме того, необходимо было унифицировать тележки для электровозов постоянного и переменного токов.

Новый двухсекционный восьмиосный электровоз, имевший большую мощность ТЭД типа ТЛ-2 и оборудованный устройством для выравнивания нагрузок от колесных пар на рельсы при больших тяговых усилиях, был изготовлен Тбилисским электровозостроительным заводом в 1961 г. (первоначальное обозначение Т8). Электрическая аппаратура электровоза была такой же, как у электровозов серии ВЛ8. Начиная с 1963 г. электровозы получили обозначение ВЛ10.

До 1957 г. на линиях, электрифицированных на постоянном токе, пассажирские поезда обслуживались электровозами серий ВЛ22м, ВЛ22 и ВЛ19, которые по своим тяговым характеристикам и динамическим качествам не соответствовали условиям пассажирского движения. Поэтому в 1956 г. было подписано соглашение о поставке из Чехословацкой Социалистической Республики (ЧССР) двух опытных электровозов, выполненных на базе чешских четырехосных электровозов типа 12Е. На первых электровозах этой серии, получившей обозначение ЧС1 (рис. 5.22), устанавливались шести-полюсные ТЭД, имевшие слабонасыщенную магнитную систему, благодаря чему мож-

но было за счет значительного уменьшения магнитного потока двигателя регулировать скорость движения электровоза в широких пределах. Переключение ТЭД с последовательного соединения на параллельное осуществлялось при помощи мостового перехода. При последовательном соединении ТЭД имелось четыре ступени уменьшения магнитного потока, при параллельном – шесть. На электровозе было установлено по два мотор-компрессора и по два

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

мотор-вентилятора. Двигатели вентиляторов вращают генераторы тока управления, служащие для питания цепей управления и освещения и заряда железоникелевой аккумуляторной батареи.

Рис. 5.22. Электровоз серии ЧС1

В 1960 г. на электровозах серии ЧС1 были установлены ТЭД с пятью ступенями уменьшения магнитного потока на каждой группировке. Таким электровозам было присвоено обозначение серии ЧС3.

Дальнейшее повышение скоростей движения пассажирских поездов обусловило необходимость увеличения мощности электровозов, и в 1958 г. на базе чехословацких электровозов типа 25Е были изготовлены для СССР

два шестиосных пассажирских электровоза серии ЧС2. На электровозах имелись три группировки ТЭД с пятью ступенями уменьшения магнитного потока двигателей на каждой. Переход от одной группировки к другой осуществлялся посредством подключения параллельно одной из групп ТЭД переходного резистора (так называемое шунтирование ТЭД резистором). Цепи защиты и вспомогательные машины выполнялись так же, как на электровозе серии ЧС1, только мотор-вентиляторов было четыре. В 1962 г. на электровозах серии ЧС2 вместо четырех мотор-вентиляторов было установлено два мотор-вентилятора, но большей мощности, причем номинальное напряжение их двигателей составляло 3000 В. Двигатели мотор-компрессоров также перевели на напряжение 3000 В. Ранее применявшиеся чугунные секции пусковых резисторов были заменены на более легкие фехралевые.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Впериод с 1966 по 1975 г. продолжалось серийное изготовление (с некоторой модернизацией) электровозов серии ВЛ10 двумя заводами – Новочеркасским и Тбилисским. На них, в частности, были установлены ТЭД типа ТЛ-2К1. Впервые в отечественной практике для питания обмоток возбуждения ТЭД в 1970 г. был установлен статический преобразователь постоянного напряжения 3000 В в постоянное напряжение 38 В. Несколько позже аналогичный преобразователь был использован на одном электровозе для питания обмоток возбуждения в режиме рекуперативного торможения.

Восьмиосные электровозы серий ВЛ8 и ВЛ10 имели общую силовую цепь ТЭД для обеих секций, что не позволяло использовать их при работе

водну секцию. В ряде случаев было необходимо иметь локомотив с 10–12 тяговыми осями. Поэтому было принято решение спроектировать новый грузовой электровоз постоянного тока на базе четырехосной автономной секции, а число секций набирать по мере надобности. В 1975 г. Тбилисский электровозостроительный завод выпустил первый двухсекционный электровоз этой серии (ВЛ11) с ТЭД типа ТЛ-2К1. Четыре ТЭД каждой секции имели только два соединения: четыре двигателя последовательно и две параллельные группы ТЭД, каждая из которых содержит два последовательно соединенных ТЭД. На каждом соединении ТЭД имеется по четыре ступени уменьшения магнитного потока.

В1973 г. НЭВЗ выпустил первый восьмиосный двухсекционный электровоз серии ВЛ12 с ТЭД типа НБ-407Б. Как и на электровозе серии ВЛ11, на каждой секции предусматривалось два соединения ТЭД, причем для изменения группировок использовался мостовой переход. Применено независимое возбуждение ТЭД в режиме тяги, а также при резисторном и рекуперативном торможении, причем для питания обмотки возбуждения во всех режимах были использованы статические преобразователи. Для заряда аккумуляторных батарей использован трехфазный генератор в сочетании с полупроводниковым выпрямителем.

Для обеспечения пассажирского движения с максимальной скоростью 200 км/ч (линия Москва – Ленинград) ЧССР в 1975 г. начала поставку восьмиосных двухсекционных электровозов серии ЧС200. Четыре двигателя каждой секции имели две группировки, на каждой из которых предусмотрено по пять ступеней уменьшения магнитного потока, а изменение группировок осуществлено по мостовой схеме. Схема резисторного торможения аналогична такой же схеме электровозов серии ЧС2т.

Известные недостатки системы электрической тяги постоянного тока

обусловили в 1960-х гг. начало работ по повышению напряжения в контактной сети постоянного тока до 6 кВ. Состояние преобразовательной техники в то время было таково, что ни на полупроводниковых приборах, ни тем более на тиратронах надежно работающий статический преобразователь реализовать было невозможно. Однако идеи, предложенные отечественными учеными, ведущую роль среди которых играл В. Е. Розенфельд, для того времени были весьма прогрессивными и не имели аналогов в мире. Структура пре-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

образования электроэнергии на электровозе была такой: постоянное напряжение в тиратронном варианте вначале преобразовывалась в напряжение трехфазной системы переменного тока повышенной частоты; при помощи разделительного трансформатора контактная сеть гальванически отделялась от цепи ТЭД, причем на выходе трансформатора формировалась трехфазная система напряжения с уровнем, оптимальным по напряжению ТЭД; затем это напряжение выпрямлялось и прикладывалось к ТЭД постоянного тока. В полупроводниковом варианте на секции электровоза устанавливался шестиканальный импульсный преобразователь постоянного напряжения, предназначенный для преобразования постоянного высокого напряжения в постоянное регулируемое по значению напряжение.

Экспериментальные работы по применению этой системы проводились

вСССР в 1964–1975 гг. на электровозах серии ВЛ8 (в 1966 г. это был первый

вмире электровоз постоянного тока со статическими преобразователями на напряжение 6 кВ) и ВЛ22. Однако дальше изготовления опытных образцов электровозов (из-за низкой надежности работы преобразовательного оборудования) эти исследования не продвинулись.

Дальнейшее развитие электровозов постоянного тока с ТЭД постоянного тока шло по пути увеличения мощностей локомотивов за счет увеличения количества тяговых осей. В 1984 г. Тбилисским электровозостроительным заводом был построен двухсекционный двенадцатиосный грузовой электровоз серии ВЛ15 с ТЭД типа ТЛЗ. Схема силовой цепи электровоза предусматривает наличие трех группировок ТЭД с четырьмя ступенями уменьшения магнитного потока на каждой. Для маневровой работы, а также для отключения неисправного двигателя предусмотрена возможность соединения последовательно всех 12 ТЭД. С целью ограничения провалов силы тяги при переходе от одной группировки к другой применен вентильный переход. В остальном электрическая схема аналогична схеме электровозов серий ВЛ10 и ВЛ11. Для питания обмоток возбуждения ТЭД в режиме рекуперации использовались как машинные, так и статические преобразователи.

При очень высокой грузонапряженности железных дорог СССР актуальным являлось уменьшение количества пассажирских поездов при одновременном увеличении количества вагонов в них, что требовало локомотивов с увеличенной силой тяги. Поэтому на первом этапе работы было решено у электровозов серии ЧС200 изменить передаточное число редукторов без изменения электрической схемы. Такие электровозы (их поставка из Чехословакии в СССР началась в 1981 г.), получили обозначение серии ЧС6.

Использовав многие аппараты и узлы электровозов серий ЧС2т, ЧС200 и ЧС6, заводы «Шкода» в 1983 г. изготовили 20 двухсекционных восьмиосных пассажирских электровозов серии ЧС7. Имеется три группировки ТЭД, причем при восьми последовательно соединенных двигателях реализована общая схема силовой цепи для двух секций. На каждой группировке предусмотрено по пять ступеней уменьшения магнитного потока двигателей.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Электровозы этой серии были последними электровозами, поставленными из ЧССР в СССР. С распадом Советского Союза поставки электровозов

вРоссию из ЧССР и Грузии были прекращены.

Внастоящее время в соответствии с федеральной программой развития железнодорожного транспорта НЭВЗ в кооперации с другими заводами России готовит к выпуску опытный образец восьмиосного электровоза постоянного тока серии ЭП100 с трехфазными синхронными (вентильными) ТЭД. В качестве входного звена на электровозе используется импульсный преобразователь постоянного напряжения, в качестве выходного – трехфазный автономный инвертор тока.

В1961 г. НЭВЗ выпустил первый восьмиосный электровоз однофазнопостоянного тока серии ВЛ80 со ртутными выпрямителями и высоковольтным регулированием напряжения. При эксплуатационных испытаниях этих электровозов были выявлены неполадки в системе высоковольтного переключателя ступеней, что обусловило переход к регулированию напряжения на вторичной обмотке трансформатора. В дальнейшем на электровозах ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми – диодными (электровозы серии ВЛ80к), применено резисторное торможение при независимом возбуждении ТЭД (электровозы серии ВЛ80т). Установка на электровозах тиристорных выпрямителей вместо диодных позволила реализовать плавное зонно-фазовое регулирование напряжения на ТЭД и рекуперативное торможение при независимом возбуждении двигателей (электровозы серии ВЛ80р).

Последним серийным электровозом однофазно-постоянного тока, выпущенным в СССР, был электровоз серии ВЛ80с, имеющий в основном электрическую схему и характеристики электровоза ВЛ80р, но предназначенный для работы по системе многих единиц [42–49].

Для замены парка электровозов однофазно-постоянного тока, выработавших свой ресурс, НЭВЗ продолжает выпускать электровозы новых серий. К ним относятся грузовой шестиосный электровоз серии ВЛ65 и пассажирский шестиосный электровоз серии ЭП1.

Всоответствии с федеральной программой развития железнодорожного транспорта основным направлением при создании электроподвижного состава в России является использование на нем бесколлекторных (в первую очередь асинхронных) ТЭД.

Еще в 1967 г. НЭВЗ изготовил макетную секцию, а в 1970 г. опытный восьмиосный электровоз с синхронными (вентильными) ТЭД (в создании электровоза активное участие принимали работники Всесоюзного научноисследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) под руководством Б. Н. Тихменева и Всесоюзного научноисследовательского и проектно-технологического института электровозостроения (ВЭлНИИ) под руководством Б. К. Баранова). В 1970–1975 гг. было построено три таких электровоза (ВЛ80в).

Параллельно с этим НЭВЗ велись работы по созданию электроподвижного состава переменного тока с асинхронными ТЭД, и в 1967 г. была изго-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

товлена опытная секция, а в 1971 г. – опытный восьмиосный электровоз с асинхронными ТЭД (ВЛ80а).

Среди электровозов нового поколения следует отметить восьмиосный электровоз переменного тока серии ЭП200 с асинхронными ТЭД, шестиосный пассажирский электровоз серии ЭП2 с асинхронными ТЭД, шестиосный пассажирский электровоз двойного питания серии ЭП10 с асинхронными ТЭД. Готовится к выпуску восьмиосный электровоз постояннопеременного тока (контактная сеть постоянного тока, ТЭД переменного тока) серии ЭП100 с синхронными ТЭД, который заменит ЭП200.

Электроподвижной состав. Для обеспечения пригородных и межобластных перевозок в СССР, а затем и в России использовались электропоезда, которые в отличие от пассажирских поездов не имели локомотива и прицепных вагонов, а состояли из секций, каждая из которых включала в себямоторный (т. е. оборудованный тяговыми двигателями с системой управления) и прицепной вагоны. В специальной литературе моторные и прицепные вагоны объединяются общим понятием «мотор-вагонный электроподвижной состав».

Пригородные поезда мотор-вагонной тяги формируют, как правило, из нескольких секций. ТЭД и электрооборудование вагонов с целью экономии места в салоне располагают под вагоном.

В дореволюционной России мотор-вагонный подвижной состав использовался на узкоколейных (шириной 1000 мм) подъездных путях г. Лодзь. Для этих линий Русско-Балтийский вагоностроительный завод («РуссоБалт», г. Рига) в 1900 г. изготовил 16 моторных и 20 прицепных вагонов. На моторных вагонах были установлены тяговые двигатели постоянного тока типа ОЕ-58, изготовленные фирмой «Дженерал электрик» (США). Питание контактной сети осуществлялось от двух электростанций, на каждой из которых был установлен генератор постоянного тока мощностью 110 кВт (выходное напряжение – 550 В, ток – 200 А).

Первые в СССР пригородные электропоезда были введены в эксплуатацию в 1926 г. на линии Баку – Сабунчи. Моторные вагоны для этой дороги были изготовлены Мытищинским вагоностроительным заводом, тяговые двигатели и пусковые резисторы – заводом «Динамо», электрические аппараты – фирмой «Элин» (Австрия) и тормозное оборудование – фирмой «Кнорр» (Германия). На каждом моторном вагоне было установлено по четыре ТЭД типа ДБ-2 номинальным напряжением 600 В (напряжение в контактной сети

– 1200 В). Тяговые двигатели имели две группировки.

При создании систем мотор-вагонной тяги в 20–30-х гг. прошлого столетия в СССР рассматривалось несколько вариантов уровней напряжения в контактной сети постоянного тока: 600–800, 1200–1500 и 3000 В. На этом этапе было принято напряжение 1500 В, что обусловливалось меньшими затратами меди для контактной сети по сравнению с напряжением 600–800 В и

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

возможностью создания надежного электрооборудования моторного вагона, что нельзя было выполнить в то время для напряжения 3000 В.

Каждая трехвагонная секция серии Св состояла из одного моторного

идвух прицепных вагонов. На каждом моторном вагоне были установлены четыре ТЭД типа ДП-150, изготовленные заводом «Динамо». Электрическая аппаратура была изготовлена английской фирмой «Метрополитен Виккерс». Двигатели имели две группировки, причем на параллельном соединении (по два последовательно) было возможно движение с уменьшенным магнитным потоком.

От коротких замыканий и перегрузок двигатели защищались при помощи реле максимального тока, отключавшего линейные контакторы, и главного предохранителя. Реверсирование электропоезда осуществлялось посредством изменения направления тока в обмотках возбуждения ТЭД, а при повреждении одного из двигателей предусматривалась возможность отключения группы из двух последовательно соединенных двигателей. Цепи управления и освещения секций питались постоянным током напряжением 50 В от мотор-генератора или аккумуляторной батареи, установленных под кузовом моторного вагона.

Одним из наиболее слабых мест в электромеханическом оборудовании электропоездов серии Св оказались ТЭД типа ДП-150, в которых была применена хлопчатобумажная изоляция проводников якоря. В последующем эта изоляция была заменена полуслюдяной. Кроме того, имелись определенные недостатки и в электрической аппаратуре. Поэтому по мере износа ТЭД

иэлектрической аппаратуры моторные вагоны секций серии Св начали переделывать в моторные вагоны вначале переходных серий, а затем серии Сд. Вагоны секций этой серии отличались от вагонов серии Св электрической аппаратурой. Прежде всего это различие состояло в том, что переход от одной группировки ТЭД к другой осуществлялся по способу короткого замыкания группы двигателей.

Начиная с 1935 г. вместо тяговых двигателей типа ДП-150 начали выпускаться более мощные и конструктивно улучшенные двигатели типа ДПИ150.

В1946 г. в связи с электрификацией пригородного участка Москва – Домодедово завод «Динамо» выпустил первый комплект нового электрооборудования и ТЭД типа ДК-103А для электропоездов серии Сд. Такие электропоезда могли работать при двух уровнях напряжения в контактной сети (1500 и 3000 В) и получили обозначение серии См.

В1947 г. Рижским вагоностроительным заводом (РВЗ) была выпущена первая мотор-вагонная секция нового электропоезда серии Ср, электрооборудование и ТЭД которой были аналогичны секции электропоезда серии См.

Вдальнейшем электротехнические системы электропоездов принципиально повторили ту же эволюцию, что и аналогичные системы электровозов.

С1952 г. вместо электропоездов серий Ср на РВЗ был освоен выпуск элек-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

тропоездов серии С, предназначенных для эксплуатации только на линиях напряжением 3 кВ. В 1957 г. эти электропоезда начали оборудовать системой автоматического ведения поезда. В том же году на РВЗ вместо трехвагонных секций начали выпускать двухвагонные секции, ставшие основой электропоезда серии ЭР1, на которых стали устанавливать новые ТЭД типа ДК-106Б. Кроме калориферов для подогрева воздуха в салонах с 1962 г. стали устанавливать под пассажирскими сиденьями электрические печи, причем в 1963 г. на Московском локомотиворемонтном заводе (МЛРЗ) все электропоезда раннего выпуска переоборудовались на комбинированную систему электроотопления. В 1962 г. РВЗ вместо электропоездов серии ЭР1 стал выпускать электропоезда серии ЭР2, на которых с 1964 г. стали устанавливать ТЭД типа УРТ-ПОА, имевшие одинаковые с ТЭД типа ДК-106Б электромеханические характеристики, но изготовленные с применением современных пластмасс.

По инициативе Прибалтийской железной дороги в 1970 г. были начаты работы по замене контакторно-резисторного электрооборудования на бесконтактное, позволяющее обеспечить плавное регулирование напряжения на ТЭД в процессе пуска электропоезда. В 1971 г. на одном из восьмивагонных электропоездов серии ЭР2 под кузовами всех четырех моторных вагонов были установлены статические импульсные преобразователи постоянного напряжения, работавшие в режиме частотно-широтно-импульсного регулирования напряжения. Тягово-энергетические испытания показали, что применение для пуска импульсных статических преобразователей позволяет заметно снизить расход электроэнергии на тягу.

В 1970 г. МЛРЗ оборудовал шестивагонный электропоезд серии ЭР2 импульсными преобразователями постоянного напряжения с частотноимпульсным регулированием напряжения, которые в отличие от поезда Прибалтийской железной дороги были постоянно включены в цепь ТЭД (в работе принимали участие ученые Московского энергетического института и работники проектно-конструкторского бюро Главного управления локомотивного хозяйства МПС СССР).

Несмотря на положительные результаты испытаний электропоездов постоянного тока со статическими импульсными преобразователями, из-за отсутствия необходимой для их комплектации элементной базы (силовых полупроводниковых приборов и конденсаторов) дальнейшие работы по созданию таких электропоездов в СССР были прекращены.

С целью уменьшения времени доставки пассажиров на линии Москва – Ленинград в 1974 г. РВЗ совместно с Рижским электромашиностроительным заводом (РЭЗ) изготовил скоростной десятивагонный электропоезд постоянного тока серии ЭР200, имеющий конструктивную скорость 200 км/ч. Два моторных вагона имеют объединенную электрическую схему силовых цепей, при которой четыре ТЭД каждого вагона постоянно соединены последовательно, а в начальной стадии пуска последовательно соединяют восемь ТЭД. Пуск резисторный, десятиступенчатый, причем между ступенями плавное

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

регулирование напряжения осуществляется при помощи статического импульсного преобразователя. Для плавного уменьшения магнитного потока ТЭД также используется импульсный преобразователь. При этом при скорости выше 30 км/ч использована система «автомашинист». На электропоезде применено резисторное торможение. После завершения тягово-энергети- ческих испытаний электропоезд поступил на Октябрьскую железную дорогу, где после нескольких модернизаций эксплуатируется и в настоящее время.

Всвязи с бурным развитием электрической тяги переменного тока

в1959 г. РВЗ была выпущена опытная двухвагонная секция, а в 1961 г. – первый десятивагонный электропоезд однофазного постоянного тока серии ЭР7 со ртутными выпрямителями и ТЭД типа РТ51В пульсирующего тока, соединенными попарно-параллельно. В отличие от электровозов уже на первых электропоездах однофазно-постоянного тока выпрямители были выполнены по мостовой схеме. Регулирование напряжения, прикладываемого к ТЭД, осуществлялось дискретно на вторичной обмотке за счет изменения коэффициента трансформации трансформатора. Дополнительно для расширения диапазона регулирования скорости электропоезда использовались ступени уменьшения магнитного потока двигателей. Электродвигатели компрессоров, вентилятора, насоса трансформатора, вентилятора реактора и других вспомогательных машин питаются трехфазным током напряжением 220 В, получаемым от электромашинного фазорасщепителя. Щелочная аккумуляторная батарея (напряжение 110 В) питается от специальной вторичной обмотки тягового трансформатора через выпрямитель.

В1961 г. по инициативе ВНИИЖТ была начата модернизация выпрямительных установок электропоездов серии ЭР7, заключавшаяся в замене

вних ртутных вентилей полупроводниковыми, и к 1964 г. на всех моторных вагонах ртутные выпрямители на МЛРЗ были заменены полупроводниковыми, располагаемыми под моторными вагонами. Этим поездам было присвоено обозначение серии ЭР7к. В отличие от электрической схемы электропоездов серии ЭР7 на электропоездах серии ЭР7к для регулирования напряжения был использован так называемый «вентильный переход», позволивший устранить громоздкий делительный реактор, а для защиты вентилей от токов короткого замыкания применены быстродействующие разъедини-тели, разрывающие цепь тока в непроводящий полупериод.

Втом же году РВЗ совместно с РЭЗ и Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ) выпустил опытную двухвагонную секцию электропоезда серии ЭР9, полупроводниковая выпрямительная установка которого располагалась в тамбуре моторного вагона. При сохранении того же принципа регулирования напряжения и тех же ТЭД, что на поездах серии ЭР7к, по предложению ВЭИ бесконтактная защита вентилей от токов короткого замыкания была заменена контакторной при помощи главного воздушного выключателя типа ВОВ-25-4 с одновременным увеличением индуктивного сопротивления в контуре короткого замыкания за счет введения между вторичной обмоткой трансформатора и входными зажимами выпрямительной установки токо-ограничивающих реакторов. Впоследствии выпрямительные ус-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

тановки были перенесены под кузов моторных вагонов (электропоезд серии ЭР9п).

Электропоезда серии ЭР9 (с модернизациями) были единственными

вСССР серийно выпускаемыми поездами однофазно-постоянного тока. Их выпуск продолжался до распада СССР, а в 1995 г. возобновлен на Демиховском машиностроительном заводе (г. Орехово-Зуево Московской области), причем электропоезда серии ЭД9т оборудованы системой резисторного торможения с независимым возбуждением ТЭД.

Наряду с выпуском серийных электропоездов однофазно-постоянного тока в СССР в 1960-х гг. велись научно-исследовательские работы по созданию электропоезда переменного тока с асинхронными ТЭД и статическими преобразователями электроэнергии, завершившиеся выпуском в 1970 г. первого в мире восьмивагонного электропоезда серии ЭР9а с асинхронными ТЭД типа ЭТА-300 мощностью часового режима 300 кВт каждый. В отличие от вентильного перехода электропоезда серии ЭР9 вентильный переход нового электропоезда был выполнен на тиристорах, что обеспечило плавное зон- но-фазовое регулирование выпрямленного напряжения. От выходных зажимов выпрямителя асинхронные ТЭД питались через автономные инверторы напряжения (как и на электровозе серии ВЛ80а). Однако, несмотря на положительные результаты испытаний, отсутствие в то время необходимойэлементной базы не позволило пустить электропоезд в эксплуатацию.

Вторично задача создания электропоездов переменного тока с асинхронными ТЭД нашла свое решение в 1980-х гг., когда на базе электропоезда серии ЭР9 РЭЗ и Московским институтом инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ) двухвагонная секция была оборудована асинхронными ТЭД и статическими преобразователями электроэнергии. Секция успешно прошла пусконаладочные и испытательные поездки вначале на Горьковской железной дороге, а затем 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

в1995 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 в 2005 г. изготовлена установочная партия электропоездов постоянно-переменного тока серии ЭД6 с

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

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.

По инициативе РАО «Высокоскоростная магистраль» Октябрьской железной дорогой, АО «Сила» в сотрудничестве 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 сегодня в России продолжаются 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 в 2001 г. поступил для испытаний на кольцо ВНИИЖТ.

Следует отметить, что, несмотря на пионерскую роль СССР в создании электроподвижного состава с бесколлекторными ТЭД, на рубеже ХХ и ХХI вв. 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 – ОТО-тиристоров и ЮВТ-тран- зисторов и модулей на их основе. В настоящее время благодаря использованию современного технологического оборудования положение выравнивается, и, надо полагать, в ближайшее время будут созданы высокоэкономичные отечественные тяговые преобразовательные установки на силовых полупроводниковых приборах нового поколения.

Тепловозы. Еще в начале 90-х гг. XIX в. русскими инженерами Н. 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.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Вначале XX в. на Коломенском машиностроительном заводе (КМЗ)

вчисле других был разработан проект тепловоза мощностью 1600 л. с. с электрической передачей, но такой тепловоз создан не был.

В1924 г. на КМЗ был изготовлен первый отечественный тепловоз

сэлектрической передачей, предложенной Я. М. Гаккелем. Имея максимальную мощность дизеля 1030 л. с., этот тепловоз (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.

Вдальнейшем 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 электрооборудо-

вании тепловозов, электровозов и электропоездов в уровне напряжений при принципиально одинаковой структуре преобразования и регулирования потока энергии непосредственно в 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.

Таким образом, 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 выпускал завод «Динамо», а впоследствии Харьковский электромашиностроительный завод (позднее завод «Электротяжмаш»).

В конце 1967 г. Ворошиловградский (ныне Луганский) тепловозостроительный завод выпустил первый односекционный тепловоз серии ТЭ109 (рис. 5.23) с электрической передачей переменно-постоянного тока, позволявшей 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 ЭД112А, предусмотрены две ступени уменьшения магнитного потока.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Вдальнейшем 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.

Рис. 5.23. Тепловоз серии ТЭ109

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).

В связи с распадом СССР выпуск тепловозов в России перешел полностью на Коломенский тепловозостроительный завод, который продолжает

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

выпускать грузовые и пассажирские тепловозы с электрической передачей переменно-постоянного тока, электрооборудование которых не претерпевает принципиальных изменений [15].

5.3.2. Городскойэлектрическийтранспорт

Трамвай. Слово «трамвай» происходит от английского tramway (tгаm – вагон и way – путь) – городская наземная электрическая дорога. Трамвай стал развиваться с начала 80-х гг. XIX в. Впервые трамвай был пущен в пригороде Берлина в 1881 г.

Трамвайные вагоны того времени имели малую вместимость – всего 24 пассажира, открытые площадки, маломощные двигатели в 4,5 л. с., ручной тормоз. Электрический ток подводился к двигателям по рельсам. Скорость таких вагонов не превышала 19 км/ч.

С применением в 1883 г. верхнего контактного провода и роликовых токоприемников начался период интенсивного усовершенствования вагонов

истроительства трамвайных предприятий.

ВРоссии первый трамвай был построен в Киеве в 1892 г., затем был пущен трамвай в Нижнем Новгороде, Казани, Ташкенте. В Москве трамвайное движение было открыто в 1903 г., в Санкт-Петербурге – в 1907 г.

Московский и санкт-петербургский трамваи представляли собой поезда из двухосных моторных и прицепных вагонов значительной вместимости, оборудованных сравнительно мощными электродвигателями. Они имели хорошее освещение, а также отопление в зимнее время.

Кначалу Первой мировой войны в России было уже 35 трамвайных хозяйств, 30 из них полностью или частично принадлежали иностранным концессиям. Подвижной состав, его механическое, пневматическое и электрическое оборудование заказывалось за границей.

В1925 г. завод «Электросила» выпустил отечественный тяговый двигатель постоянного тока ПТ-ЗОН, а с 1926 г. завод «Динамо» приступил к производству электродвигателей ДМ-1А повышенной мощности, которые не уступали заграничным. Помимо двухосных вагонов с 1926 г. в России стали строить и эксплуатировать более вместительные четырехосные вагоны.

В1928 г. Коломенский завод начал выпуск серии четырехосных трамвайных вагонов типа КМ (рис. 5.24). В 1938 г. были построены первые четырехосные трамвайные вагоны М-38 с двигателями смешанного возбуждения

иоригинальной схемой управления, разработанной заводом «Динамо». С 1947 г. отечественные заводы выпускают цельнометаллические четырехосные трамвайные вагоны типа МТВ-82 (Тушинский машиностроительный завод) и двухосные моторные и прицепные вагоны типа КТМ-1 и КТП-1 (Усть-Катавский вагоностроительный завод).

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Вдальнейшем к строительству вагонов приступили Ленинградский

иРижский вагоностроительные заводы, выпустив соответственно вагоны ЛМ-49, ЛП-49, ЛМ-57 и РВЗ.

Трамваестроение на этом этапе развивалось в направлении перехода от двухосных моторных и прицепных вагонов к более емким четырехосным вагонам, повышения их вместимости, роста энерговооруженности, повышения динамических показателей.

В1960–1970-х гг. Усть-Катавский вагоностроительный завод проектирует и переходит к массовому выпуску четырехосных трамвайных вагонов модели КТМ-5М и модели 71-605, которые эксплуатируются в городах России до настоящего времени. Для Ленинграда Ленинградский трамвайномеханический завод изготавливает четырехосные вагоны модели ЛМ-68М.

Рис. 5.24. Трамвай серии КМ

Прогресс в области трамваестроения сопровождался прогрессом в области тягового электрического оборудования, которое включало в себя современные тяговые двигатели типа ДК-259 мощностью 40–45 кВт, управление которыми осуществлялось автоматической контакторно-резисторной системой управления (РКСУ), а электрическая аппаратура характеризовалась большой степенью унификации. Электрооборудование обеспечивало маневровый режим работы, автоматический пуск, электродинамическое торможение, спуск с уклонов с различными уставками, работу вагонов по системе многих единиц. Применение нового электрооборудования повысило динамические показатели вагонов (скорость – до 65–70 км/ч, ускорение – до 1,3 м/с2, замедление – до 1,2 м/с2) и улучшило комфорт пассажиров.

С 1980-х гг. трамвай как один из современных и экологически чистых видов транспорта переживает свое второе рождение. Современный этап его

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

развития характеризуется повышением требований к его провозной способности, удобству пассажиров, снижению эксплуатационных затрат, повышению надежности работы, развивается и реализуется концепция строительства шести- и восьмиосных трамвайных вагонов вместимостью 220 и 320 человек с различной комбинацией числа тяговых двигателей.

Другим направлением по созданию подвижного состава повышенной провозной способности является разработка четырехосных активных и пассивных прицепных вагонов вместимостью до 135 человек.

В 1990 г. для перспективных отечественных четырехосных трамвайных вагонов модели 71-608 и шестиосных вагонов модели 71-86 заводом «Динамо» совместно с другими предприятиями начато серийное производство тягового электрооборудования с двигателями типа ДК-263 повышенной мощности (80 кВт) и энергосберегающими тиристорно-импульсными системами управления (ТИСУ).

К 1999 г. было выпущено 25 000 трамвайных вагонов различных модификаций, которые перевозили пассажиров в 92 городах России и ближнего зарубежья.

Работа по совершенствованию моделей трамвайных вагонов и созданию новых проводится постоянно. Так, появились вагоны нового поколения: модели 71-608 (с ТИСУ), 71-608КМ (с РКСУ), 71-611 (для эксплуатации на скоростных линиях), ЛМ-93 (четырехосный вагон с РКСУ), ЛВС8-1-93 (восьмиосный вагон с двумя моторными и двумя опорными тележками и четырьмя двигателями суммарной мощностью 80 кВт), ЛВС8-2-93 (восьмиосный вагон с четырьмя тележками и восемью двигателями мощностью

60кВт).

В1996 г. были изготовлены и успешно прошли испытания два четырехосных вагона модели 71-616, созданных в кооперации Усть-Катавским вагоностроительным заводом, заводом «Динамо» и фирмой «Сименс» (Германия). Этот первый в России вагон нового поколения способствует значительной (до 25 %) экономии электроэнергии за счет применения тягового оборудования с ТИСУ и оптимизации режимов движения бортовым компьютером. Привод колес вагонов осуществляется от четырех тяговых двигателей суммарной мощностью 76 кВт.

Троллейбус. Слово «троллейбус» происходит от английского trolleybus (trolley – контактный привод, роликовый токоприемник и bus – автобус) – вид городского безрельсового транспорта.

Этот вид транспорта родился как гибрид трамвая и омнибуса и впоследствии превратился в автобус с электродвигателем.

Первая троллейбусная линия была построена в 1882 г. в Германии, в г. Шпандау. Вслед за Германией опытные маршруты безрельсового электрического транспорта появляются также в ряде других стран.

В наши дни в подавляющем большинстве случаев троллейбусы используются для пассажирских перевозок в крупных городах, для пригородного

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

сообщения, в отдельных случаях для доставки грузов. Преимущества троллейбуса перед автобусом – в простоте устройства, меньшей трудоемкости обслуживания, особенно в зимнее время, и главное – троллейбус менее шумен и не загрязняет атмосферу городов.

В1900 г. открылось троллейбусное движение во Франции (в Лионе),

в1902 г. – в Чехословакии, в 1903 г. – в Италии, в 1911 г. – в Англии,

в1912 г. – в Швейцарии.

Однако крупные конструктивные недостатки первых троллейбусов ограничивали область их практического применения, и только после Первой мировой войны, когда были решены принципиальные вопросы электротехники, автомобилестроения и усовершенствования дорог, троллейбусное движение становится массовым.

Первые российские троллейбусы типа ЛК, построенные заводом «Динамо», Ярославским и Московским автомобильными заводами и Научным автотракторным институтом (НАТИ), появились в Москве в 1933 г.

В1936 г. Ярославский автомобильный завод совместно с заводом «Динамо» начал серийный выпуск троллейбусов типа ЯТБ-1. Это был наиболее комфортный для того времени троллейбус: он имел специальное шасси и полуобтекаемый кузов, надежную тормозную пневматическую систему, а также центральный тормоз, действующий на тяговую передачу. Высоковольтная аппаратура располагалась в шкафах в салоне троллейбуса. Электрическая схема с двигателем мощностью 60 кВт обеспечивала резисторное и рекуперативное торможение и приемлемые динамические показатели машины.

Втечение 1937–1941 гг. были выпущены модели ЯТБ-2, ЯТБ-4, ЯТБ-4А, ЯТБ-5, а также двухэтажный троллейбус ЯТБ-3. Усовершенствование шло по линии доработки кузова, применения колесного тормоза, лучшей защиты электрооборудования, модернизации червячного редуктора. На троллейбусе ЯТБ-4 был применен двигатель мощностью 74 кВт, что позволяло ему развивать большие скорости, ускорения и замедления.

В1946 г. Тушинским машиностроительным заводом было освоено серийное производство цельнометаллических троллейбусов типа МТБ-82. По сравнению с троллейбусами ЯТБ они обладали большей вместимостью, легким долговечным кузовом, более комфортным пассажирским салоном. Электрическая схема обеспечивала реостатное и рекуперативное торможение, система управления неавтоматическая с индивидуальными электромагнитными контакторами, управляемыми с помощью контроллера управления. Троллейбус оборудован двигателем смешанного возбуждения мощностью 78 кВт.

В1959 г. заводы им. М. С. Урицкого и «Динамо» создали троллейбус

сцельнометаллическим несущим кузовом типа ЗиУ-5. Длина, ширина и высота троллейбуса соответственно 11830, 2680, 3530 мм, масса тары – 9000 кг, общая вместимость – 90 пассажиров. Тяговый двигатель типа ДК-207А мощностью 95 кВт обеспечивал троллейбусу конструктивную скорость 60 км/ч и ускорение 1,3–1,4 м/с. На троллейбусе применена система автоматического

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

пуска тягового двигателя с помощью группового контроллера, приводимого в движение исполнительным двигателем. Режим работы задается с помощью контроллера управления. Панели с аппаратурой расположены в кабине водителя, групповой контроллер находится под кузовом троллейбуса вблизи пускотормозных резисторов. Впервые на этом типе троллейбуса применена пневматическая подвеска кузова.

Представляют интерес троллейбусы ТБ и МТБС, изготовленные Сокольническим вагоноремонтным заводом (СВРЗ) на базе троллейбуса МТБ-82 (рис. 5.25): их отличительной особенностью является повышенное остекление крыши салона.

Рис. 5.25. Троллейбус МТБ-82

В 1959 г. СВРЗ и заводом «Динамо» был создан первый в России шарнирно сочлененный троллейбус типа ТС особо большой вместимости. Одноэтажный четырехосный троллейбус имел одну ведущую ось, состоял из двух секций цельнометаллической конструкции. Длина и ширина троллейбуса соответственно 17 500 и 2700 мм, максимальная вместимость достигала 200 человек, масса тары составляла 16 000 кг. Троллейбус приводился в движение двумя тяговыми двигателями последовательного возбуждения мощностью по 100 кВт. При нормальном наполнении салона скорость троллейбуса достигала 60 км/ч, ускорение – 1,1 м/с2. Электрическая схема троллейбуса обеспечивала автоматический пуск и резисторное торможение с помощью группового контроллера, приводимого в движение испытательным двигателем под контролем реле ускорения и замедления.

Следует отметить, что наряду с пассажирскими троллейбусами отечественной промышленностью в 1950–1960-х гг. были выпущены грузовые

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

троллейбусы, контактные теплоэлектробусы, а также троллейные электромобили.

В 1966 г. троллейбусным заводом им. М. С. Урицкого и заводом «Динамо» была создана модель двухосного троллейбуса большой вместимости ЗиУ-9, обладавшая рядом преимуществ по сравнению с предыдущими типами. Это был наиболее массовый троллейбус, его выпуск составил более 42 тыс. единиц. Он имел цельнометаллический закрытый кузов несущей конструкции вагонной компоновки и был предназначен для внутригородских перевозок пассажиров по дорогам с покрытием первой и второй категорий

ис предельным уклоном до 80 %. На троллейбусе был установлен тяговый двигатель модели ДК-210А мощностью 110 кВт. Система управления троллейбусом косвенная полуавтоматическая с групповым реостатным контроллером. Она позволяла осуществлять различные режимы вождения троллейбуса в эксплуатации: движение с малыми скоростями на маневровой позиции, автоматический разгон, движение с различными скоростями, выбег, электродинамическое (реостатное) торможение, изменение направления движения. Схемой предусмотрены следующие виды защиты электрооборудования: защита тягового двигателя от перегрузок, нулевая защита, защита аппаратуры и отдельных его цепей от токов короткого замыкания, защита от радиопомех.

Троллейбусы ЗиУ-9 оборудованы рабочим пневматическим тормозом, действующим на все колеса машины, ручным стояночным и электродинамическим тормозами. На троллейбусах ведущий задний мост с колесными планетарными передачами и главной центральной гипоидной передачей. Длина

иширина троллейбуса соответственно 11 709 и 2500 мм, масса тары – 10 050 кг, масса троллейбуса с номинальной нагрузкой – 16 490 кг, число мест для сидения – 31, конструктивная скорость – 70 км/ч.

С1988 г. заводы им. М. С. Урицкого и «Динамо» начали выпускать усовершенствованные модели троллейбусов – ЗиУ-682Г и ЗиУ-682Г1, двухосные, трехдверные, предназначенные для городских перевозок. Количество мест для сидения – 27, полная вместимость – 118 пассажиров, передаточное отношение трансмиссии – 1 : 10,699. На троллейбусах использована классическая релейно-контакторная система управления РКСУ, как и на троллейбусе ЗиУ-9. Управление приводом косвенное, полуавтоматическое с групповым реостатным контроллером. Режим работы задается контроллером водителя.

Троллейбус ЗиУ-682Г оборудован усовершенствованным двигателем типа ДК-113 смешанного возбуждения мощностью 115 кВт. Максимально преодолеваемый подъем для этой машины – 8 %. С целью реализации лучших динамических показателей, больших подъемов на троллейбусе ЗиУ682Г1 установлены тяговый двигатель типа ДК-211БМ последовательного возбуждения мощностью 170 кВт и аппаратура управления и защиты повышенной энергоемкости. Троллейбус ЗиУ-682Г1 способен преодолевать уклоны до 12 %. Интересно отметить, что этот троллейбус выпущен в исполнении

савтономным тяговым приводом, содержащим аккумуляторную батарею емкостью 140 А·ч и обеспечивающим автономное движение до 5 км.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

Потенциал отечественной науки позволил в 1985 г. создать опытные образцы двухосных троллейбусов типа ЗиУ-684Б и шарнирно сочлененных троллейбусов ЗиУ-683Б с энергосберегающими ТИСУ. Тем самым была успешно завершена работа ученых МЭИ, завода «Динамо», Запорожского электроаппаратного завода и ряда других и впервые в отечественной практике транспортостроения был достигнут мировой технический уровень.

Серийное производство троллейбусов ЗиУ-683Б (в дальнейшем ЗиУ-6205) было начато в 1987 г., серийное производство двухосных машин ЗиУ-684Б (ЗиУ-52642) – в 1995 г.

Комплект электрооборудования с ТИСУ обеспечивает в эксплуатации следующие режимы работы: движение с различными скоростями, плавный автоматический безреостатный пуск и электродинамическое (рекуперативнореостатное) торможение с широким диапазоном ускорения и замедления, задаваемых водителем, быстродействующее замещение рекуперативного торможения реостатным при отсутствии потребителей электроэнергии в контактной сети и обратный переход, движение в режиме выбега.

Шарнирно сочлененный троллейбус ЗиУ-6205 предназначен для эксплуатации на городских магистралях с большим пассажиропотоком. Управляемая секция прицепа обеспечивает маневренность троллейбуса ЗиУ-6205 на улицах, где эксплуатируются двухосные троллейбусы длиной 12 000 мм.

Троллейбус ЗиУ-52642 может эксплуатироваться на дорогах с уклонами до 15 % и имеет следующие характеристики: масса снаряженного троллейбуса – 11 537 кг, вместимость – 116 человек, количество мест для сидения

– 30, длина, ширина и высота соответственно 11 710, 2514, 3300 мм, максимальная скорость (при номинальной нагрузке) – 60 км/ч, время разгона с места до 50 км/ч – не более 20 с.

Отличительные особенности применяемого электрооборудования этого троллейбуса от троллейбуса ЗиУ-683Б (ЗиУ-6205) следующие: регулятор – РТ 300/700 БМ в двухблочном исполнении, в системе собственных нужд использован двигатель ДК-662 мощностью 14 кВт, тормозные резисторы расположены на крыше.

В1996 г. создана и успешно прошла испытания новая модель двухосного троллейбуса «Тролза-52643», являвшаяся результатом сотрудничества АО «Троллейбусный завод», АЭК «Динамо» и фирмы «Сименс» (Германия). Этот троллейбус оснащен совершенной ТИСУ, выполненной на основе самозапираемых тиристоров, статическим преобразователем напряжения 550/24 В, бортовым компьютером контроля и управления работой тягового привода, люминесцентными лампами освещения пассажирского салона, молниеразрядником, дистанционными автоматическими выключателями.

Внастоящее время отечественные троллейбусы эксплуатируются в 200 городах, в том числе в 8 странах дальнего и 11 странах ближнего зарубежья.

Метрополитен. Слово «метрополитен» происходит от французского metropol (буквальный перевод – «столичный») – вид рельсового пассажирского транспорта, перспективный в условиях больших городов с насыщен-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

ным уличным движением. Линии метрополитена обычно прокладываются под землей (в туннелях), при необходимости по поверхности и на эстакадах.

Первая линия метрополитена (3,6 км) построена в Лондоне (1863), с 1868 г. метрополитен действует в Нью-Йорке. Старейшие метрополитены на европейском континенте – Будапештский (1896), Венский (1898), Парижский (1900). Впоследствии метрополитены были построены в Мадриде, Барселоне, Афинах, Стокгольме, Осло и других городах.

ВСССР первая линия метрополитена введена в Москве (1935). Первые комплекты тягового электрооборудования для вагонов метрополитена были изготовлены заводом «Динамо» в конце 1934 г. Действуют метрополитены

вСанкт-Петербурге (с 1955 г.), Киеве (с 1960 г.), Тбилиси (с 1966 г.), Баку

(с 1967 г.), Харькове (с 1972 г.), Ташкенте (с 1977 г.), Ереване (с 1982 г.),

Минске (с 1984 г.), Нижнем Новгороде (с 1985 г.), Новосибирске (с 1985 г.), Самаре (с 1987 г.). С 1988 г. строится метрополитен в Екатеринбурге и Днепропетровске.

Впоследние годы интенсивность движения на Московском метрополитене значительно увеличилась. Количество перевозимых пассажиров составляет около 10 млн. в день. Это значит, что нагрузка вагонов метрополитена изменяется в основном в диапазоне 15–18 т на вагон с незначительными отклонениями в ту или другую сторону. Для того чтобы при увеличивающихся пассажиропотоках обеспечивалось обслуживание пассажиров на надлежащем уровне, постоянно комплексно совершенствовались технические решения всех устройств: увеличивалась мощность двигателей, улучшалась их коммутационная устойчивость, вводились устройства автоматического управления, новые системы безопасности, совершенствовалась защита, вводились резервные системы управления.

Внастоящее время действующий метрополитен представляет собой сложный автоматизированный перевозочный комплекс, в котором все взаимосвязано и выполнено на достаточно высоком уровне при высокой степени безопасности движения. При этом следует учитывать, что при средних эксплуатационных скоростях движения 40–48 км/ч, пропускной способности линий 42–48 пар поездов в час (за рубежом самая высокая пропускная способность у метрополитена в Токио – 40 поездов в час), провозной способности поезда до 60 000 пассажиров в час в одном направлении должен быть особенно высоким психологический комфорт для пассажиров.

5.3.3. Подъемно-транспортноеоборудование

Грузоподъемные машины и механизмы являются одним из основных средств комплексной механизации всех отраслей народного хозяйства. Эти машины представляют собой машины прерывистого циклического действия и предназначаются для перегрузки грузов на предприятиях, строительных площадках, железнодорожных станциях, в морских и речных портах и на других объектах [15]. В первую очередь к таким машинам относятся краны:

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

на ряде предприятий они являются основным звеном технологического цикла производства.

Вотличие от большинства других производственных механизмов грузоподъемные машины характеризуются весьма разнообразными режимами работы как по значению статической нагрузки, так и по продолжительности работы и частоте включений.

Всоответствии с действующими в нашей стране стандартами все многообразие режимов работы грузоподъемных машин сводится к пяти режимам: легкий – Л; средний – С; тяжелый – Т; весьма тяжелый – ВТ; весьма тяжелый, непрерывный – ВТН. В понятие «режим работы» входят: относительная продолжительность включений (ПВ), частота пусков, годовое и суточное использование, коэффициент использования грузоподъемных машин по грузоподъемности и другие показатели напряженности работы.

Категорией напряженности режима учитывается температура окружающей среды, а также такой показатель, как степень ответственности машины, которая может потребовать повышенных запасов прочности. Так, например, разливочный кран мартеновского цеха по частоте включений и ПВ может быть отнесен к легкому режиму. Однако предъявляемые к нему исключительные требования безопасности обусловливают выбирать кран применительно к режиму ВТ или ВТН.

Подавляющее большинство грузоподъемных машин, изготавливаемых отечественной промышленностью, имеет электрический привод основных рабочих механизмов, и поэтому эффективность действия этих машин в значительной степени зависит от качественных показателей используемого кранового электрооборудования. Электропривод большинства грузоподъемных машин характеризуется повторно-кратковременным режимом работы при большой частоте включений, широким диапазоном регулирования скорости

ипостоянно возникающими значительными перегрузками при разгоне и торможении механизмов.

Особые условия использования электропривода в грузоподъемных машинах явились основой для создания специальных серий электрических двигателей и аппаратов кранового исполнения. В настоящее время крановое электрооборудование имеет в своем составе серии крановых электродвигателей переменного и постоянного тока, серии силовых кулачковых и магнитных контроллеров, командоконтроллеров, кнопочных постов, пультов управления, конечных выключателей, тормозных электромагнитов и электрогид- равли-ческих толкателей, пускотормозных резисторов, полупроводниковых устройств регулирования, устройств управления по радиоканалу или одному проводу и ряд других аппаратов, комплектующих различные крановые электроприводы.

Специальные двигатели и аппараты для кранов выпускаются уже с конца XIX в. Крупносерийное производство основного кранового электрооборудования в нашей стране было начато в 1930–1931 гг. после соответствующей специализации завода «Динамо», который до настоящего времени

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

является ведущим предприятием в разработке комплектных крановых электроприводов и в изготовлении основных элементов этих комплектов.

Основным родом тока для крановых и судовых электроприводов является переменный ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Это и предопределяет весьма широкое применение электроприводов с использованием асинхронных двигателей с фазным и короткозамкнутым ротором. Следует отметить, в перспективе применение в качестве источника питания сеть переменного тока напряжением 660 В, частотой 50 Гц. Это, в свою очередь, вызывает необходимость иметь электрические машины и аппаратуру управления (в основном контакторы, автоматы), рассчитанные на эти напряжения.

Менее широкое распространение получили электроприводы постоянного тока: их применяют металлургические предприятия, суда рыболовного флота, а также суда старой постройки, на которых используются источники постоянного напряжения 110, 220 и 440 В.

Можно констатировать, что сегодня около 90 % всех крановых и судовых электроприводов выполняются на переменном токе и только 10 % – на постоянном токе.

Все системы крановых и судовых электроприводов можно разделить на две группы: электроприводы с непосредственным управлением с помощью кулачковых контроллеров и с дистанционным управлением с помощью командоаппаратов (командоконтроллеров и кнопочных выключателей). Первая система является наиболее простой и дешевой, отличается простотой наладки. Вместе с тем эта система имеет невысокие эксплуатационные характеристики, невысокий ресурс работы, неудобна в управлении. В силу своей простоты система с непосредственным управлением нашла применение для крановых и судовых механизмов с относительно невысокими требованиями к эксплуатационным параметрам.

Более 80 % крановых и судовых механизмов выполняются с электроприводами с кулачковым контроллером. При этом на переменном токе система построена на применении асинхронных двигателей с фазным ротором

иступенчатым изменением сопротивлений резисторов в цепи ротора, короткозамкнутых асинхронных двигателей с изменением сопротивлений резисторов в цепи статора. На постоянном токе применяются в основном потенциометрическая схема включения двигателей для механизмов подъема и схема с изменением сопротивлений резисторов цепи якоря для механизмов горизонтального перемещения грузов. Подобные системы отличаются невысоким диапазоном регулирования скорости, который для электроприводов постоянного тока не превышает 1 : 6, а для электроприводов переменного тока – 1 : 3 (в электроприводах с односкоростными короткозамкнутыми двигателями скорость вообще не регулируется).

В1970-е гг. для общепромышленных крановых механизмов было освоено производство кулачковых контроллеров серии ККТ переменного тока

исерии ККП постоянного тока. Для судовых механизмов была внедрена се-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

рия кулачковых контроллеров КВ1 и КВ2. Максимальная мощность управления составляла 40 кВт.

Остальная часть крановых и судовых механизмов имеет электроприводы с дистанционным управлением. Причем основная масса этих электроприводов построена с релейно-контакторным управлением. И только менее 5 % электроприводов выполняются с применением полупроводниковых средств управления – различных тиристорных регуляторов и преобразователей (преобразователей частоты и постоянного тока). Системы дистанционного управления релейно-контакторного типа построены аналогично системам с кулачковыми контроллерами как на постоянном, так и на переменном токе.

Впоследние годы разработаны системы электроприводов с применением асинхронных двигателей с фазным ротором, в которых используется принцип динамического торможения с самовозбуждением и принцип им- пульсно-ключевого регулирования. Указанные системы регулирования обеспечивают диапазон регулирования уже в пределах 1 : 8.

Внастоящее время заводом «Динамо» изготавливаются панели и блоки управления переменного тока серий П и Б мощностью до 125 кВт. Для управления двигателями постоянного тока мощностью до 185 кВт разработаны панели управления серии П9000. Для судовых механизмов внедрены магнитные контроллеры серий БТ и ВТ, управляющие многоскоростными короткозамкнутыми двигателями серии МАП.

Одним из существенных недостатков электроприводов с непосредственным и дистанционным управлением при релейно-контакторной системе (кроме системы с динамическим торможением с самовозбуждением и им- пульсно-ключевым регулированием) является необходимость для получения устойчивых посадочных скоростей осуществлять частые переключения управляющего органа (кулачкового контроллера или командоконтроллера)

содного фиксированного положения на другое. Такие частые переключения снижают срок службы электрооборудования вследствие износа коммутационных элементов и аппаратов. Тем не менее все рассмотренные системы электроприводов благодаря их простоте и дешевизне получили широкое распространение.

Впоследние годы ко многим грузоподъемным устройствам и комплексам возросли требования с точки зрения повышения производительности труда, ресурса, надежности и удобства обслуживания. Вместе с тем наметились тенденции к увеличению мощности электроприводов (что прежде всего связано с ростом грузоподъемности и скорости перемещения грузов) и снижению посадочных скоростей грузов, определяющихся прежде всего условиями выполнения различных монтажных и технологических операций, точностью установки и доводки грузов, а также безопасностью их перемещений. Создаются новые грузоподъемные комплексы на основе современных способов перегрузки: контейнерные, грейферно-бункерные перегружатели, мощные плавучие краны, суда-лихтеровозы, крупные строительные краны.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

В 1970–1980-е гг. на заводе «Динамо» были созданы электроприводы для целого ряда уникальных грузоподъемных механизмов и комплексов

сиспользованием преобразовательной техники, в том числе с применением полупроводниковых устройств управления:

1)освоено серийное производство тиристорных электроприводов постоянного тока для механизмов подъема строительных башенных кранов

сгрузовым моментом 300 т м;

2)созданы крановые регулируемые электроприводы переменного тока мощностью от 2 до 50 кВт со статическими преобразователями частоты непосредственного типа и мощностью от 1,7 до 120 кВт со статическими преобразователями с импульсной системой управления;

3)освоено производство частотно-регулируемых электроприводов для судовых грузовых лебедок грузоподъемностью 3 т;

4)разработан и внедрен в эксплуатацию электропривод механизма подъема с применением тиристорных преобразователей мощностью 1000 кВт для установки непрерывной разливки стали быстроходного 450-тонного разливочного крана. В 1979 г. налажено и запущено в эксплуатацию пять кранов на Новолипецком металлургическом комбинате;

5)освоено производство комплектного электропривода с полуавтоматическим управлением для грейферного крана грузоподъемностью 32 т;

6)разработаны и сданы в эксплуатацию комплектные тиристорные электроприводы постоянного тока для грейферно-бункерного перегружателя производительностью 800 т/ч;

7)разработаны и сданы в эксплуатацию комплектные многодвигательные электроприводы переменного тока для уникальных плавучих кранов «Витязь» грузоподъемностью 1000/1600 т и «Волгарь» грузоподъемностью

1400 т;

8)освоено серийное производство электроприводов постоянного тока по системе Г–Д для плавучих кранов «Черноморец» грузоподъемностью 100

ти «Богатырь» грузоподъемностью 300 т;

9)разработан и сдан в эксплуатацию многодвигательный электропривод переменного тока напряжением 660 В, частотой 50 Гц механизма самоподъемной буровой установки СПБУ6500/100 для бурения скважин и добычи нефти и газа на континентальном шельфе на глубине до 100 м.

В последние годы специалистами завода «Динамо» проводится как модернизация серийных систем электроприводов, так и разработка новых на основе современной элементной базы. Что касается наиболее массовых крановых электроприводов переменного тока с непосредственным регулированием, идет разработка электроприводов на базе силовых кулачковых контроллеров и блока электроники, реализуемых в едином пульте. С помощью этого пульта осуществляется управление несколькими механизмами крана. Применение в разрабатываемых электроприводах блока электроники позволяет улучшить эксплуатационные характеристики кранов. Предполагается

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

внедрение пультов со встроенными малогабаритными командоконтроллерами и в системах электроприводов с дистанционным управлением.

Внастоящее время для ряда крановых механизмов производятся полупроводниковые преобразователи частоты инверторного типа (на базе силовых транзисторов) на мощности до 30 кВт.

Как отмечалось выше, ряд крановых и судовых электроприводов с исполнительными двигателями переменного тока мощностью до 50 кВт разработаны и выпускаются заводом «Динамо» с использованием преобразователей частоты с непосредственной связью (НПЧ). При этом в качестве базовой схемы преобразователя выбрана 18-вентильная схема НПЧ с естественной коммутацией и питанием от трехфазной сети напряжением 380 В и частотой 50 Гц без нулевого провода (преобразователи типа ТТС, изготовитель АО «Электровыпрямитель», г. Саранск). Электроприводы данного класса обеспечивают плавное регулирование частоты вращения асинхронных короткозамкнутых двигателей в интервале частот от 1,5 до 25 Гц, а также его работу на естественной механической характеристике при частоте 50 Гц. Дальнейшим улучшением выходных параметров преобразователей указан-ного типа является введение в них устройств, позволяющих плавно регулировать частоту на выходе преобразователя в интервале от 1,5 до 50 Гц. Это обеспечит их конкурентоспособность с преобразователями частоты со звеном постоянного тока инверторного типа, а также 36-вентильными НПЧ с раздельным питанием фаз асинхронного двигателя.

Внастоящее время проводится также работа по созданию многодвигательных автоматизированных электроприводов для самоподъемной буровой установки СПБУ «Арктика», предназначенной для разведывательного бурения скважин на нефть и газ глубиной до 650 м на шельфе арктических морей России на глубинах от 10 до 30 м. Электроприводы этой установки выполняются на напряжение 660 В и частоту 50 Гц.

Следует отметить и работы по созданию электроприводов постоянного тока с использованием тиристорных преобразователей. Это, как правило, грузоподъемные комплексы с исполнительными двигателями большой мощности (перегружатели, плавучие краны, крупные монтажные краны и т. д.).

Втаких электроприводах предусматривается применение тиристорных преобразователей серии ТПЕ (изготовитель – завод «Преобразователь», г. Запорожье) на токи 100, 160, 250, 400 и 630 А, заменивших крановые тиристорные преобразователи серий АТК и АТРК.

Внастоящее время имеются модификации тиристорных преобразователей постоянного тока в морском исполнении серии ТПС, что позволяет использовать их в электроприводах на плавучих кранах и других судах объектах.

Последние годы характеризуются бурным ростом микропроцессорной техники, что коснулось и крановых электроприводов. Специалистами ВНИПТИ в настоящее время начаты работы по созданию на базе этой техники современных крановых электроприводов. Применение микропроцессоров

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.3.Развитие магистрального электротранспорта

качественно изменит систему управления крановыми механизмами, что позволит, в частности, улучшить выходные характеристики приводов, оптимизировать процессы пуска, торможения и реверса, облегчить управление, ввести диагностику неисправностей и т. д.

Внедрение микропроцессорной техники ставит на повестку дня задачи создания нового поколения командоаппаратов малогабаритного исполнения, адаптации микропроцессоров к существующим системам управления.