Семья богатырей

  Среди локомотивов электровозы - наиболее мощные, быстроходные, экономичные и удобные в эксплуатации машины. Именно поэтому они все шире применяются в нашей стране. Особое место среди них занимают электровозы переменного тока.
  В отличие от работающих на постоянном токе они не нуждаются в стационарных выпрямительных подстанциях и все оборудование несут на себе. Питаются такие локомотивы от сети переменного тока высокого напряжения - 25 кВ, сами понижают его, выпрямляют и подают на тяговые двигатели.
  Создавая принципиально новые образцы электровозов, специалисты Всесоюзного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института электровозостроения (ВЭлНИИ) вот уже два десятилетия постоянно совершенствуют магистральные электровозы переменного тока серии ВЛ80.
  Сегодня на стальных магистралях страны уже довольно много модификаций локомотивов этой серии. Мы же рассмотрим лишь несколько конструкций, ставших как бы этапными при создании электровозов переменного тока.

  ВЛ80^К создан в начале шестидесятых годов. Индекс "к" говорит о том, что выпрямители на нем полупроводниковые, кремниевые, пришедшие на смену ртутным - игнитронам. Электровоз показал отличные для своего времени результаты: по тяговым качествам с ним не мог конкурировать ни один локомотив. Восемь тяговых двигателей, установленных на этой двухсекционной восьмиосной машине, развивали в часовом режиме мощность 6520 кВт. Даже на участках со сложным профилем пути (с затяжными крутыми подъемами, на кривых малого радиуса) электровоз водил составы весом 5-7 тыс. т со скоростью до 100-110 км/ч.

  В начале семидесятых годов на железнодорожные магистрали страны вышел локомотив ВЛ80^Т - магистральный восьмиосный электровоз переменного тока с кремниевыми выпрямителями и реостатным торможением. Это означает, что пневматический тормоз был дополнен более эффективным - электрическим, роль которого выполняют тяговые двигатели.

  Как известно, двигатели постоянного тока обратимы. Если вращать ротор такого двигателя, он начнет вырабатывать электрический ток, то есть электродвигатель превратится в генератор. Именно это свойство используется в режиме реостатного торможения. Механическая энергия с вращающихся осей колесных пар передается на валы тяговых двигателей, которые превращают ее в электрическую, а та, в свою очередь, выделяется в виде тепла на тормозных резисторах. Говоря другими словами, кинетическая энергия тормозящего поезда идет на обогрев окружающего пространства. Естественно, рациональнее было бы использовать эту энергию для других, более разумных целей. Специально подсчитали, что все электровозы страны ежегодно потребляют до 45 млрд. кВт-ч электроэнергии. Но цифру эту можно уменьшить, если электрическую энергию, вырабатываемую при торможении, не превращать в тепловую, а возвращать (рекуперировать) в контактную сеть.

  Явление рекуперации использовалось и прежде, но лишь на электровозах постоянного тока. Заставить рекуперировать электровоз переменного тока труднее, на пути тока вставали выпрямитель и понижающий трансформатор. Задача эта была решена лишь после того, как создали выпрямительно-инверторный преобразователь. Он позволил превращать (инвертировать) постоянный ток в переменный и рекуперировать его в контактную сеть.
  Таким образом, при торможении или при движении по спуску двигатели электровоза переменного тока с рекуперативным торможением вырабатывают постоянный ток, который преобразуется в переменный, а затем через трансформатор и контактную сеть поступает к другим электровозам или в энергосистему.

  В 1973 году началось производство локомотивов ВЛ80^Р. Магистральный восьмиосный электровоз переменного тока с выпрямительно-инверторным преобразователем и рекуперативным торможением стал самым экономичным из всех локомотивов серии. Стать таким ему позволила именно рекуперация.
  Эксплуатация ВЛ80^Р показала его высокую техническую и экономическую эффективность. Сотня таких машин позволяет нашей стране экономить более 45 млн. кВт-ч электроэнергии в год.

  А конструкторская мысль шла дальше.

  В 1979 году на базе серийного электровоза ВЛ80^Т построили ВЛ80^С. Он способен работать по так называемой системе многих единиц. Внесенные новшества и усовершенствования позволяют управлять двумя спаренными локомотивами (четырьмя секциями) из кабины одного электровоза. Устройство дистанционного телеметрического управления обеспечивает согласованный режим работы всех четырех секций. Производительность труда локомотивных бригад возросла в два раза.

  Локомотив ВЛ80^С незаменим в тех районах, где нужно водить тяжеловесные составы по дорогам со сложным профилем. Необходим этот электровоз и на магистралях с быстро возрастающим потоком грузов.
  В 1980 году Новочеркасский электровозостроительный завод приступил к серийному выпуску грузовых магистральных электровозов переменного тока ВЛ80^С. Новому локомотиву присвоен государственный Знак качества.

  Охарактеризованные выше электровозы в качестве тяговых двигателей имеют машины постоянного тока - наиболее подходящие для локомотивов по своим механическим характеристикам: при трогании с места они развивают большой начальный вращающий момент и позволяют плавно изменять скорость. Однако эти двигатели имеют коллектор и щеточный аппарат, которые быстро изнашиваются и не допускают больших токовых нагрузок из-за скользящих контактов; они сложны в изготовлении, дороги в эксплуатации. На протяжении ряда лет ведутся научные и конструкторские разработки с целью заменить их более простыми по устройству и надежными в эксплуатации бесколлекторными двигателями переменного тока. Это стало возможным с появлением силовых полупроводниковых выпрямителей, преобразующих переменный ток в пульсирующий постоянный, расщепителей фаз, изменяющих однофазный ток в трехфазный, и преобразователей частоты, позволяющих регулировать скорость вращения бегущего магнитного поля в статоре трехфазного электродвигателя переменного тока.

  На базе механической части серийного электровоза ВЛ80^К было разработано и построено несколько локомотивов, где в качестве тяговых двигателей использованы машины переменного тока.
  На ВЛ80^А применены наиболее простые по устройству асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, питающиеся от диодно-тиристорных преобразователей частоты и числа фаз. Это позволило увеличить мощность электровоза по сравнению с ВЛ80^К в 1,4 раза без увеличения его массы.
  На ВЛ80^Б в качестве тягового двигателя использовали синхронную неявнополюсную машину, которая вместе с тиристорным преобразователем частоты и числа фаз и системой управления образует вентильный двигатель. В результате мощность возросла в 1,5 раза.
  На ВЛ80^ВР система управления локомотивом и двигателями претерпевает значительные изменения. Широко применяются интегральные схемы, позволяющие повысить надежность и улучшить качество регуляторов, снизить объем и массу аппаратуры. Силовая схема с бесколлекторными вентильными тяговыми Двигателями, питающимися от понижающего трансформатора через преобразователь частоты и числа фаз, обеспечивает режимы тяги и электрического торможения.
  Тяговые и тормозные характеристики электровоза ВЛ80^ВР позволяют водить тяжеловесные поезда на подъемах и спусках практически без применения пневматических тормозов и дополнительных ограничителей по скорости движения.

  На последних примерах наглядно видно, как коллектив ВЭлНИИ ведет научное обеспечение конструкторских разработок по созданию новых мощных электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями - серийных локомотивов будущего.

  Больше о электровозах переменного тока ВЛ80^Т → см. сюда

  Источник: Е. ЧЕРНОВ, П. ЧЕРНОВ, Н. ЧЕРНОВ "Семья богатырей", журнал "Моделист-Конструктор", 9-1982.