3197
правок
Изменения
Перейти к навигации
Перейти к поиску
Новая страница: «ЭЛЕКТРОВОЗ - ''локомотив'', приводимый в движение находящимися на нем тяговыми электродви…»
ЭЛЕКТРОВОЗ - ''локомотив'', приводимый в движение находящимися на нем тяговыми электродвигателями, которые получают электроэнергию от стационарного источника – энергосистемы через тяговые подстанции и тяговую сеть от контактного провода либо от собственных тяговых аккумуляторных батарей. Выпускаются также комбинированные контактно-аккумуляторные электровозы, которые могут работать как от контактной сети, так и от аккумуляторной батареи. Подавляющее большинство находящихся в эксплуатации электровозов магистральных ж. д. являются неавтономными, т. е. не могут работать без контактной сети. На путях промышленных предприятий часто используются автономные электровозы, не зависящие от контактной сети. Для обеспечения маневровых работ наиболее подходящими являются контактно-аккумуляторные электровозы, которые используются также широко для обслуживания горных выработок, где прокладка контактного провода затруднена или невозможна. Таким образом, эксплуатируемые электровозы могут быть классифицированы по назначению, степени автономности, роду тока в тяговой сети; в зависимости от области использования и конструкции имеют ряд различных направлений (рис. 5.19).
[[Файл:519.jpg|center]]
'''Историческая справка.'''Первые электровозы появились на ж.-д. транспорте в кон. 19 в. как локомотивы, альтернативные паровозам. Развитие электротехники позволило создать мощные электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного трехфазного тока. Были решены также проблемы генерирования электроэнергии и ее передачи по контактной сети. Идея реализации электрического локомотива с автономным или неавтономным питанием была высказана в первой половине 19 в., но первые практические результаты были получены в 1880 г. В России инженер Ф. А. Пироцкий установил электрический двигатель на пассажирском вагоне и провел первые опыты; в 1880 г. в Санкт-Петербурге был проложен для электровагона рельсовый путь. В том же году Э. В. Сименс в Германии и Т. А. Эдисон в США предложили свои конструкции. Новые локомотивы смогли заменить паровую тягу в специфических условиях эксплуатации ж. д.- в длинных тоннелях и на горных (перевальных) участках с большими уклонами. При этом проявились главные преимущества электровоза – отсутствие выбросов отработанных газов, возможность увеличения силы тяги путем форсировки тяговых электродвигателей на руководящем уклоне, реализация идеи рекуперативного торможения с возвратом энергии в тяговую сеть. Впоследствии область рационального применения электровозов существенно расширилась: их стали использовать и на равнинных участках с интенсивным движением поездов, где решающее значение имел высокий кпд самого электровоза (до 88-91%) и всей системы электрической тяги (до 30% при питании преимущественно от тепловых электростанций и до 50-60% при питании от гидроэлектростанций ).
Первые электровозы на российских ж. д. появились в 1929-1930 гг. в связи с электрификацией Сурамского перевала на Закавказской железной дороге (линия Баку-Батуми). На линии эксплуатировались закупленные в Италии, США, и Германии 6-осные электровозы постоянного тока 3 кВ, получившие обозначение С (с индексом, соответствующим стране-изготовителю). В России было налажено производство электровозов на Коломенском заводе совместно с московским заводом «Динамо», который начал выпускать тяговые электродвигатели и электрооборудование. В 1932 г. был выпущен первый отечественный грузовой электровоз сети Сс, впоследствии – ВЛ19 (цифра 19 указывает осевую нагрузку в т на рельсы). Этот принцип сохранялся в обозначениях электровозов ВЛ22 и ВЛ23, позже перешли к указанию числа осей (постоянного тока ВЛ8), а затем добавили букву «О», которая обозначала род тока (электровозы, работающие на однофазном токе), соответственно 6-осные и 8-осные локомотивы ВЛ60, ВЛ80 (позднее буква трансформировалась в ноль).
Электровозы, имеющие обозначение ВЛ, были предназначены для грузового движения, хотя довольно часто используются и для тяги пассажирских поездов. Конструктивная скорость электровозов ВЛ обычно не превышает НО км/ч. В 70-е гг. был реализован переход на более мощные 12-осные электровозы на базе двух 6-осных секций, в каждой из которых кузов опирался на три 2-осные тележки (постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, ВЛ86). Однако одновременно получила распространение и концепция более гибкого типажного решения, когда выпускались 4-осные секции, из которых можно было формировать тяговые единицы из 2-4 секций (постоянного тока ВЛ11М, переменного тока ВЛ80С). По мере расширения электрификации ж. д. наряду с грузовыми электровозами начался выпуск скоростных электровозов, параметры которых были приспособлены для тяги пассажирских поездов. Первый пассажирский электровоз, получивший наименование ПБ (Политбюро), был выпущен Коломенским заводом в 1934 г. Электровоз имел 6 осей, групповой привод колесных пар. Небольшие партии грузовых электровозов ВЛ19, ВЛ22, ВЛ60 выпускались с измененным передаточным отношением от тяговых двигателей на колесные пары, что позволяло использовать их в пассажирских сообщениях (с дополнительной буквой П, например ВЛ60П).
В начале 90-х гг. произошло значительное снижение перевозочной работы, вследствие чего потребность в сверхмощных электровозах сократилась, имевшийся парк электровозов стал вполне достаточным для выполнения перевозок; выпуск новых электровозов сократился. Электровоз ВЛ85, имевший наиболее отработанную конструкцию, начали выпускать в односекционном исполнении (ВЛ65). Для возможности использования электровоза в пассажирском сообщении было применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей, в результате чего конструктивная скорость повысилась до 140 км/ч. Было предусмотрено электрическое отопление пассажирского поезда от электровоза. Такой электровоз фактически относится к классу универсальных – грузо-пассажирских.
Основу эксплуатируемого парка пассажирских локомотивов составляют 6-осные электровозы ЧС2 и ЧС2Т постоянного тока, электровозы ЧС4 и ЧС4Т переменного тока, а также 8-осные электровозы ЧС6, ЧС7 и ЧС200 постоянного тока и с такой же ходовой частью электровозы ЧС8 переменного тока (см. таблицу). С сер. 90-х гг. на магистральных ж. д. эксплуатируются скоростные пассажирские электровозы (1994 г.), 8-осные од-носекционные электровозы ЭП200, конструктивную скорость которых предполагалось довести до 250 км/ч, и упрощенная модификация такого электровоза на конструктивную скорость 160 км/ч. В 2001 г. в связи с развитием скоростного движения выпуск электровозов на максимальные скорости 200-250 км/ч увеличился. Основные пассажиропотоки в высокоскоростном пассажирском сообщении реализованы моторвагонными электропоездами. В сер. 90-х гг. были изменены обозначения новых электровозов: в обозначение грузовых электровозов ввели букву Э (например, Э1, Э2, ЭЗ и т.д.), а для пассажирских и универсальных – буквы ЭП, в частности электровоз ВЛ65 получил обозначение ЭП1, электровоз, выполненный на базе его механической части, с возможностью питания от сети как постоянного, так и переменного тока,- ЭП10.
[[Файл:5191.jpg|center]]
Наряду с электровозами для магистральных ж. д. производятся мощные промышленные электровозы (для тяговых агрегатов), используемые на открытых горных разработках (в основном на специализированном электровозостроительном заводе и на Новочеркасском заводе). Частично промышленные электровозы закупались в ГДР (локомотивный завод в г. Хеннингсдорф). Ввиду специфики работы тяговых агрегатов (необходимость преодоления очень крутых подъемов с уклонами до 80%о при выезде из карьера), в состав агрегата для усиления тяги входят моторные грузовые вагоны, тяговые электродвигатели которых питаются от электровоза.
'''Устройство.'''Электровоз является наиболее перспективным видом локомотива благодаря его самой высокой экономичности, относительно простой конструкционной компоновке, небольшим затратам на ремонт и техническое обслуживание, меньшей сложности в управлении, возможности реализации рекуперативного торможения, а также экологичное. Перспектива использования электровозов связана с сокращением запасов природного топлива и расширением применения ядерной и солнечной энергий, в результате чего появятся новые разновидности и конструктивные реализации.
[[Файл:520.jpg|center]]
Базовый тип электровоза можно считать вполне устоявшимся: любой электровоз (рис. 5.20) имеет токоприемник, в конструкцию входят экипажная часть (механическая), которая в значительной мере аналогична тепловозной и может быть унифицирована по одним признакам, электрическое и пневматическое оборудование. К механической части относится кузов, в котором размещаются кабины с пультом управления, высоковольтные камеры с электрооборудованием, вспомогательные электрические машины, предусмотрены проходы для локомотивной бригады и др. Кузов центральными опорами с упругими элементами опирается на рамы тележек, которые передают вертикальные нагрузки на колесные пары и через них на рельсы, а также служат опорой для тяговых электродвигателей и передают тяговые усилия от них на колесные пары и на кузов, а через кузов – поезду. В свою очередь рама каждой тележки опирается на 2 и 3, гораздо реже на 4 колесные пары через наружные буксовые подшипники и систему упругих элементов, обычно называемую буксовым подвешиванием.
'''Токоприемник.'''Токоприемник – электрический аппарат, служащий для создания контакта электрического оборудования электровоза с контактной сетью. Токоприемники различают по условиям работы – для токосъема с воздушной (проводной) контактной подвески и с контактного рельса; по конструктивному исполнению -пантографные для ЭПС ж.-д. транспорта, дуговые и штанговые – для трамваев и штанговые – только для троллейбусов, а также рельсовые – на линиях метрополитена.
''Пантографные токоприемники'', устанавливаемые на электровозе, имеют подъемный механизм в виде шарнирного много-звенника, применяются на электровозах магистральных ж. д. и трамваях. Пантографный токоприемник имеет симметрично расположенные подвижные рамы, соединенные с неподвижным основанием. На скоростном ЭПС получили распространение асимметричные конструкции с одним нижним рычагом, что позволяет снизить габаритные установочные размеры аппаратов. На верхних рамах с помощью кареток установлены один или два полоза, снабженные контактными вставками, которые при движении скользят по контактному проводу. Каретки с помощью пружинных элементов обеспечивают гибкую связь полозов и рам для уменьшения кратковременных динамических сил в точке контакта. Токоприемники должны обеспечивать съем токовых нагрузок в соответствии с действующими нормативами по вертикальному и горизонтальному габаритам положения контактного провода, необходимую поперечную жесткость, соответствовать требованиям к активной и пассивной составляющим статического нажатия, а также выдерживать повышение нажатия от аэродинамического воздействия, которое определяется скоростью обтекания аппарата воздушным потоком (при повышении скоростей движения, воздействии ветровых нагрузок). Как правило, аэродинамическая составляющая контактного нажатия не должна превышать 80% от среднего статистического нажатия для конкретного типа токоприемника.
Перевод токоприемника в рабочее положение осуществляется пневматическим приводом, установленным на основании токоприемника или на крыше электровоза. Токоприемник поднимается пружинами при подаче сжатого воздуха в пневмоцилиндр и опускается при выпуске воздуха. Необходимый уровень давления в пневмоцилиндре поддерживается в течение всего рабочего времени. Некоторые токоприемники имеют торсионный электромеханический привод, оборудованы специальными устройствами для автоматического опускания аппарата при ударе полоза о неисправный элемент контактной сети.
На скоростном ЭПС токоприемники часто выполняют в виде двух подвижных систем, когда на небольшие изменения высоты подвеса контактного провода реагирует верхняя система, а при больших ее изменениях (например, в зоне низких искусственных сооружений) работает и нижняя система рам, что позволяет стабилизировать контактное нажатие на оптимальном уровне. Для улучшения динамических процессов применяют систему авторегулирования положения верхней и нижней рам. Для улучшения токосъема на токоприемниках высокоскоростного ЭПС устанавливаются гидравлические амортизаторы.
Число и тип токоприемников, их расположение на электровозе выбирают с учетом конструктивных особенностей, скорости и мощности последнего. Номинальный ток токоприемника в режиме движения Iном.дв определяется нормированием перегрева вставок (возможно дополнительное нормирование по наступлению непрерывной электровзрывной эрозии), что связано с усиленным расходом контактного материала и снижением межремонтного пробега токоприемника. В режиме стоянки нормируется значение Iном.ст по Допустимой температуре перегрева контактного провода. Нагрузочная способность токоприемника, как правило, определяется выполнением верхнего узла, главным образом типом токосъемных вставок – угольных разных типов (в т. ч. металлосодержащих, металлокерамических, чисто металлических и др.), а также числом рядов вставок на полозе и числом полозов на токоприемнике. Как правило, на полозе в зависимости от требований по нагрузочной способности токоприемника имеется 2-4 ряда вставок, и число полозов не превышает двух. Возможны различные конструктивные решения, обеспечивающие стабильное положение полоза по отношению к контактному проводу с целью обеспечения оптимального формирования контактных мостиков между контактным проводом и токосъемными элементами полоза. Например, для стандартного однополозного токоприемника с тремя рядами угольных вставок типа А Iном.дв не превышает 1200 А, а для двухполозного токоприемника со вставками типа Б и металлокерамическими пластинами этот показатель соответственно составляет 2030 и 2200 А. Токоприемники пассажирских электровозов постоянного тока с 4 рядами металлокерамических вставок допускают при движении съем тока до 1600-1800 А. При реализации большой мощности ЭПС на участках постоянного тока возникает потребность применения как минимум двух рабочих токоприемников, причем как в режиме постоянной работы, так и на отдельных участках, где реализуется съем больших токовых нагрузок. В данном случае решается задача оптимизации режимов токосъема, позволяющая дать значительный экономический эффект.
В режиме стоянки при наличии одного контактного провода для однополозного токоприемника с металлокерамическими пластинами IНом.ст. = 300 А, с угольными металло-содержащими вставками – 150 А; для угольных вставок типа А этот показатель еще ниже. Для двойного контактного провода IНом.ст. увеличивается в 1,5 раза. Для обеспечения передачи необходимой мощности при стоянке и надежности режимов трогания по условиям токосъема, как правило, предусматривается дополнительный токоприемник, который после начала движения опускается. Подъем дополнительного токоприемника также широко практикуется при появлении на контактном проводе изморози и гололедных отложений, а также при автоколебаниях контактных подвесок.
'''Тяговый привод.'''Тяговый привод включает в себя тяговые двигатели, передачу, движитель, элементы подвешивания. Способ подвешивания тяговых двигателей имеет большое значение, поскольку именно он определяет конструкционную скорость электровоза, зависящую от величины неподрессоренных масс. В состав неподрессоренных масс всегда входит колесная пара вместе с корпусом буксы и надетым на ось колесной пары большим зубчатым колесом тягового редуктора, передающим силу тяги от тягового электродвигателя на колесную пару. Масса колесной пары (с буксовым узлом и большим зубчатым колесом) при номинальном диаметре 1250 мм (стандарт российских и зарубежных электровозов) может достигать 1,6-1,9 т. Простейшим является траверсное ''опорно-осевое подвешивание'' тяговых электродвигателей (грузовые электровозы ВЛ), когда остов двигателя одним концом опирается на ось колесной пары через моторно-осевой подшипник, а другим - через кронштейны на раму тележки. Тяговый электродвигатель имеет массу 6-8 т, поэтому в такой подвеске неподрессоренная масса составляет примерно 0,5 от общей массы, что существенно ограничивает максимальную скорость движения электровоза и увеличивает ударное воздействие на путь. При опорно-осевом подвешивании применяют простую передачу с жесткой фиксацией оси колесной пары, на которую насажено большое зубчатое колесо, и оси тягового двигателя, несущей малую шестерню тяговой передачи, в общем корпусе тягового редуктора.
На пассажирских электровозах, имеющих скорость более 120 км/ч, обязательным является ''опорно-рамное подвешивание'' тягового двигателя, когда он опирается полностью только на раму тележки и вся его масса, следовательно, является подрессоренной, что существенно способствует улучшению динамических качеств электровоза. Такое подвешивание характерно для электровозов ЧС, а также для российских электровозов (ЭП1, ЭП200 и других электровозов этой серии). При таком подвешивании тяговых двигателей затрудняется передача тягового усилия на колесную пару, поскольку в отличие от системы опорно-осевой подвески расстояние от оси двигателя до оси колесной пары изменяется при их колебаниях во время движения. При опорно-рамном подвешивании используются очень сложные передачи с карданным валом, пропущенным через полый вал тягового электродвигателя (электровозы ЧС), или с упругими муфтами на ряде электровозов (например, производства фирмы "Альстом").
Возможно применение ''опорно-кузовного подвешивания'', при котором тяговый электродвигатель подвешен к раме кузова снизу и, следовательно, подрессорен наилучшим образом. В этом случае существенно усложняется передача вращающего момента на колесную пару, т. к. она смещается и поворачивается относительно кузова, например, при входе электровоза в кривую или при колебаниях виляния состава. Такое подвешивание применяется обычно в сочетании с групповым приводом, например, широко использовано в поездах T)KB(TGV) высокоскоростных железных дорог (во Франции и др. странах). Двигатель расположен внутри кузова, поэтому нет габаритных ограничений на его исполнение, что характерно для опорно-осевого и опорно-рамного подвешиваний. Тяговый редуктор выполнен многоступенчатым с промежуточными зубчатыми колесами и распределением вращающего момента на две или три колесные пары (для 2- или 3-осных тележек).
''Рессорное подвешивание'' экипажа – система механических упругих элементов, предназначенная для смягчения ударных нагрузок и регулирования колебаний (перемещений) кузова. Рессорное подвешивание выполняется двухступенчатым с центральной ступенью (между кузовом и рамой тележки) и буксовой ступенью (между рамой тележки и буксой колесной пары). В качестве упругих элементов обычно используют цилиндрические винтовые пружины в сочетании с гидравлическими или фрикционными гасителями колебаний. В обеих ступенях обязательно предусматривают устройства для передачи продольных усилий при тяге и торможении. Эти устройства выполняются так, чтобы разгрузка колесных осей при действии продольных сил была минимальной. С этой точки зрения наилучшей является система низкого крепления и гибкого соединения рамы кузова с рамой тележки – на последней, наиболее близко расположенной к головке рельса (электровозы ВЛ85 и последующие серии Новочеркасского завода).
'''Электрическое оборудование.'''
[[Файл:521а.jpg|center]]
Электрическое оборудование включает в себя тяговые электродвигатели, вспомогательные электрические машины, статические преобразователи, устройства токосъема, аппараты защиты электрических цепей, аппараты и приборы управления, в которых использованы электронные системы, микропроцессоры, системы регистрации параметров и т. п. Тип электрооборудования, с одной стороны, определяется родом тока, получаемого из контактной сети (постоянный 3 к В или переменный напряжением 25 кВ с частотой 50 Гц), с другой стороны, типом тяговых электродвигателей – постоянного тока или бесколлекторные (асинхронные или вентильные). Электрическая часть электровозов постоянного тока прошла три этапа развития (рис. 5.21,а). На первом этапе были применены тяговые электродвигатели постоянного тока (1-4) на номинальное напряжение 1,5 кВ. Каждая пара двигателей постоянно включена последовательно, образуя неразъемный электрический модуль, нормально работающий под напряжением контактной сети 3 кВ без каких-либо промежуточных устройств. Простота электрической части и высокий кпд электровоза при работе на естественной характеристике являются основным преимуществом электровозов постоянного тока. Однако для регулирования режимов работы двигателей (при пуске после остановки, для изменения скорости) приходится использовать различные дополнительные устройства. На первом этапе применялся пусковой реостат (R1), изменение группировок, т. е. последовательное соединение нескольких модулей, ослабление поля трех тяговых двигателей (включение ОВ). Способы, являющиеся классическими, были использованы на самых первых электровозах в конце 19 в. и в основном остались без принципиальных изменений на электровозах эксплуатируемого парка. Недостаток этих способов связан в основном с наличием потерь энергии в пусковом реостате, а также с небольшим числом ходовых позиций, которые могут быть получены применением группировок в сочетании с ослаблением поля. Эти недостатки обусловили переход ко второму этапу развития, когда пусковой реостат был заменен импульсным преобразователем ИП, обычно выполняемым на тиристорах. При этом цепь тяговых двигателей шунтируют обратным диодом ОД. В такой схеме регулирование напряжения на двигателях (от нуля до напряжения в сети) осуществляется плавно и практически без потерь, поэтому обычно нет необходимости применять переключение группировок тяговых двигателей. Ослабление поля в такой схеме также может быть реализовано низковольтным импульсным преобразователем (ИП-ОП), подключаемым параллельно обмоткам возбуждения ОВ. Импульсное регулирование позволяет реализовать эффективный режим рекуперативного торможения с отдачей энергии в сеть даже в случае, если эдс тяговых электродвигателей, работающих в режиме генератора, 2Е < U - напряжения тяговой сети. Недостатком системы импульсного регулирования является наличие пульсаций тока в тяговых двигателях. Пульсации тока в тяговой сети сглаживаются фильтром Ф. На первом и втором этапах используются классические тяговые электродвигатели коллекторного исполнения, что является основным недостатком такого исполнения электрической части. На третьем этапе для решения проблемы регулирования режимов движения электровозов применены бесколлекторные электродвигатели - асинхронные и синхронные или вентильные, работающие на 3-фазном переменном токе, частота f которого и напряжение U пропорциональны частоте вращения электродвигателя, т. е. соответствуют изменению скорости движения электровоза V (закон Костенко). Преобразование постоянного напряжения контактной сети в регулируемое 3-фазное обычно реализуется двухзвенным преобразователем, содержащим импульсный преобразователь ИП и автономный инвертор АИ. При использовании бесколлекторных электродвигателей появляется реальная возможность повысить напряжение в контактной сети. По предложению проф. В. Е. Розенфельда была опробована система на напряжение б кВ (находит применение в основном система на напряжение 12 кВ). При бесколлекторных электродвигателях довольно просто реализуется режим рекуперативного торможения: поток мощности меняет свое направление, АИ работает в режиме зависимого инвертора, ведомого сетью, а ИП работает в режиме передачи энергии в контактную сеть.
[[Файл:521б.jpg|center]]
Аналогичные этапы развития характерны и для электровозов переменного тока (рис. 5.21,б). Электрическая тяга переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) была освоена значительно позже, чем система постоянного тока. Массовая электрификация на переменном токе 25 кВ 50 Гц и соответственно применение электровозов переменного тока стали возможными только после освоения выпрямителей – сначала на базе ртутных вентилей (игнитроны), а потом на основе полупроводниковых кремниевых диодов. Это определило классическую схему электрической части первых электровозов переменного тока с трансформатором ТР (понижающим напряжение контактной сети до 1-1,6 кВ), диодным выпрямителем В, сглаживающим реактором СР и тяговыми электродвигателями постоянного тока. Однако эти двигатели работали в условиях значительных пульсаций выпрямленного тока (до 20%), специальные конструктивные меры были направлены на приспособление этих двигателей к работе в условиях наличия гармоники 100 Гц в выпрямленном токе (двигатели пульсирующего тока).
Существенным недостатком электровозов ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т; ВЛ80С, ЧС4, ЧС4Т, ЧС8 является невозможность реализации режима рекуперативного торможения. Регулирование напряжения на тяговых электродвигателях при помощи переключения отпаек обмоток трансформатора ТР требовало значительного числа выводов вторичной (электровозы ВЛ) или первичной (электровозы ЧС) обмотки. Переход с одной отпайки на другую без разрыва электрической цепи обусловливало применение специальных переходных реакторов. Эти недостатки были устранены при использовании в выпрямительной установке тиристоров, т.е. управляемого выпрямителя, который позволил реализовать выпрямительный режим с плавным изменением угла отпирания тиристоров, а при рекуперации – режим зависимого инвертора с плавным регулированием тока рекуперации. Одновременно с этим постоянный ток на выходе тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме, преобразуется в однофазный переменный ток, что позволяет трансформировать его имеющимся на электровозе трансформатором ТР и передавать энергию рекуперации в контактную сеть. Преобразовательная установка получила название выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП; применяется на грузовых электровозах (ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65) и пассажирских (ЭП1). При условии, что регулирование осуществляется изменением угла отпирания тиристоров ВИП, нет необходимости выполнять трансформатор ТР с большим числом выводов, достаточно четырех секций вторичной обмотки для реализации 4-зонного регулирования выпрямленного напряжения.
На третьем этапе развития произошел переход на бесколлекторные тяговые электродвигатели. Первые попытки использования асинхронных тяговых двигателей относятся к нач. 19 в. В 1904 г. проф. Кальман Кандо (главный инженер завода ГАНЦ, г. Будапешт) реализовал на севере Италии на горной линии с уклонами до 28% систему электрической тяги, при которой электровоз получал питание по двум контактным проводам (фазы А, В) и по ходовым рельсам (фаза С), что позволило передать на двигатель 3-фазное переменное напряжение. Электрическая часть электровоза состояла из трансформатора и асинхронных тяговых двигателей, которые на вредном спуске автоматически переходили в режим генератора (рекуперативного торможения). Частота питания электродвигателей оставалась постоянной и равной 50 Гц, а регулирование пусковых режимов двигателей осуществлялось при помощи водяных реостатов. Впоследствии такая система довольно широко распространилась на ж. д. Италии, где электрическая тяга применялась в тяжелых условиях горных участков с подъемами на альпийские перевалы. Электровозы отличались простотой и высокой надежностью конструкции, но двухпроводная контактная сеть оказалась слишком сложной, особенно на воздушных стрелках в горловинах станций. Однако была доказана возможность использования асинхронных двигателей.
В 1928 г. проф. К. Кандо реализовал систему электрической тяги однофазного переменного тока 15 кВ 50 Гц на ж. д. Венгрии. На электровозе был установлен электромашинный фазорасщепитель, который преобразовывал однофазное напряжение в симметричное 3-фазное для питания асинхронных тяговых двигателей.
С появлением управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров – стало возможно реализовать преобразовательную установку с плавным регулированием как напряжения, так и частоты, что существенно улучшило регулировочные качества тягового привода электровоза. Такой принцип был впервые использован на электровозе ВЛ80А, на базе которого был потом разработан 12-осный электровоз ВЛ86.
Одновременно с работами над тяговым приводом проводились исследования по применению на электровозах вентильных электродвигателей, относящихся к классу синхронных электрических машин, т. е. частота тока в сети, от которой они получают питание, должна соответствовать частоте вращения ротора двигателя. Идея использования такого двигателя для тяги была высказана проф. Б. Н. Тихменевым в 30-е гг., но практически первый электровоз с вентильными двигателями ВЛ80В был создан только после освоения производства тиристоров. Тяговый привод с вентильными двигателями установлен на скоростном электровозе ЭП200, а также на ряде зарубежных электровозов переменного тока. Принципиальной разницы между электровозами с асинхронными и вентильными двигателями нет – в обоих случаях использован простой по конструкции бесколлекторный двигатель; примерно одинаковые преобразовательные установки для питания и регулирования этих двигателей. И те и другие электровозы являются перспективными, но пока их производство значительно более дорогое, чем электровозов с двигателями пульсирующего тока. В 90-е гг. разработан электровоз ЭШО, который является двухсистемным (рис. 5.22), может работать как от контактной сети постоянного тока 3 кВ, так и от сети переменного тока 25 кВ на частоте 50 Гц. Предусмотрены варианты питания только постоянным или только переменным током.
[[Файл:522.jpg|center]]
Мощность электровозов определяется числом их осей, а каждая ось имеет обычно предельную силу тяги, ограничиваемую условиями сцепления колес с рельсами. Предельная сила тяги оси равна осевой нагрузке (например, на российских электровозах обычно до 25 т на ось), умноженной на коэффициент сцепления, который для режима трогания электровоза может быть принят равным 0,3 (рис. 5.23).
[[Файл:523.jpg|center]]
Таким образом, предельная сила тяги оси при трогании составляет 75 кН, что для 8-осного электровоза соответствует 600 кН, а для 12-осного – 900 кН. При повышении скорости сила тяги должна постепенно снижаться, так как при этом снижается коэффициент сцепления. Затем тяговая характеристика электровоза соответствует примерно гиперболе, т. е. постоянству мощности. Особое значение имеет мощность в точке выхода на естественную характеристику, т. е. при пересечении кривой ограничения по сцеплению с естественной тяговой характеристикой примерно постоянной мощности:
Fк*v = const. У грузового электровоза с поездом критического веса эта мощность на руководящем подъеме соответствует расчетному длительному режиму (точка а). У пассажирского электровоза расчетная точка (б) номинального длительного режима обычно значительно смещена в сторону высоких скоростей.
Электровозы двухсистемного питания используются для обслуживания движения на стыке ж. д. с различными электрическими системами, такие электровозы имеют обычно для каждой из систем отдельные токоприемники, что вызвано спецификой конструктивного исполнения контактных подвесок постоянного и переменного тока (первые более тяжелые и требуют токоприемника с нажатием до 20-25 Н, вторые более легкие и для них достаточно нажатия токоприемника 12-15 Н). В грузовом движении широко применяют 8-осные двухсистемные электровозы (ВЛ82 и ВЛ82М). На этих электровозах установлены нерегулируемые трансформаторы, что существенно снижает их массу; для регулирования тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения в обеих системах электропитания применяются реостаты. Наиболее совершенными двухсистемными электровозами являются электровозы ЭП10 с асинхронными двигателями.
Кроме рассмотренных электровозов постоянного и переменного тока пониженной частоты 15 кВ 1б2/з Гц, за рубежом (Германия, Австрия, Швейцария, Швеция, Норвегия) в эксплуатации находятся электровозы с коллекторными тяговыми двигателями однофазного переменного тока. Фактически такой двигатель является электрической машиной постоянного тока, приспособленной к работе на переменном токе пониженной частоты, т. к. именно при условии понижения частоты может быть обеспечено их надежное функционирование. Такой электровоз имеет достаточно простую электрическую часть, содержащую трансформатор, вторичные обмотки которого непосредственно (без выпрямителей) питают тяговые электродвигатели. Регулирование двигателей осуществляется переключением отпаек трансформатора – обычно со стороны первичных обмоток. С 90-х гг. за рубежом в эксплуатации в этой системе находится значительное число электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, схема питания которых соответствует схеме, приведенной на рис. 5.21,6 (для этапа 3). При этом система пониженной частоты, в которой отсутствуют выпрямители, становится ненужной – электровоз становится аналогичным электровозу, работающему на переменном токе 25 кВ и частоте 50 Гц. Однако в Западной Европе, где применяется большое число различных систем электрической тяги (постоянный ток 3 и 1,5 кВ, а в Великобритании также 0,75 кВ с контактным рельсом, переменный ток 25 кВ частотой 50 Гц и 15 кВ частотой 1б2/3 Гц), в локомотивном парке предусматриваются 2-, 3-, и 4-системные электровозы, которые обеспечивают безостановочное движение на стыке разных систем. При использовании асинхронных тяговых двигателей исполнение многосистемных электровозов существенно упрощается.
'''Пневматическое оборудование.'''Пневматическое оборудование обеспечивает работу тормозных систем состава и электровоза. Кроме того, сжатый воздух используется в приводах различной электроаппаратуры на самом электровозе (токоприемники, контакторы, групповые электрические аппараты, в т. ч. реверсоры и тормозные переключатели) для работы пескоподающей системы, гребнесмазывателей, стеклоочистителей и др. К пневматическому оборудованию относятся главные и вспомогательные компрессоры с приводным двигателем и электродвигателями, главные воздушные резервуары, которые размещаются на крыше и частично под кузовом, воздушные трубопроводы, соединенные с магистралями состава, краны машиниста для управления тормозами, реле и регуляторы давления, концевые и разобщительные краны, переключатели электропневматического тормоза.
Пневматическое оборудование питает воздушные системы, от работы которых зависит безопасность движения, обеспечение расчетного тормозного пути. Контролю тормозной воздушной магистрали уделяется особое внимание: пробу тормозов производят при каждой прицепке электровоза к составу, при остановке поезда на участковых станциях и при любом изменении составности поезда, а также в местах, обозначенных путевыми указателями (обычно перед участком с вредным спуском и остановками на станциях).
[[Категория:Основные типы локомотивов]]
[[Файл:519.jpg|center]]
'''Историческая справка.'''Первые электровозы появились на ж.-д. транспорте в кон. 19 в. как локомотивы, альтернативные паровозам. Развитие электротехники позволило создать мощные электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного трехфазного тока. Были решены также проблемы генерирования электроэнергии и ее передачи по контактной сети. Идея реализации электрического локомотива с автономным или неавтономным питанием была высказана в первой половине 19 в., но первые практические результаты были получены в 1880 г. В России инженер Ф. А. Пироцкий установил электрический двигатель на пассажирском вагоне и провел первые опыты; в 1880 г. в Санкт-Петербурге был проложен для электровагона рельсовый путь. В том же году Э. В. Сименс в Германии и Т. А. Эдисон в США предложили свои конструкции. Новые локомотивы смогли заменить паровую тягу в специфических условиях эксплуатации ж. д.- в длинных тоннелях и на горных (перевальных) участках с большими уклонами. При этом проявились главные преимущества электровоза – отсутствие выбросов отработанных газов, возможность увеличения силы тяги путем форсировки тяговых электродвигателей на руководящем уклоне, реализация идеи рекуперативного торможения с возвратом энергии в тяговую сеть. Впоследствии область рационального применения электровозов существенно расширилась: их стали использовать и на равнинных участках с интенсивным движением поездов, где решающее значение имел высокий кпд самого электровоза (до 88-91%) и всей системы электрической тяги (до 30% при питании преимущественно от тепловых электростанций и до 50-60% при питании от гидроэлектростанций ).
Первые электровозы на российских ж. д. появились в 1929-1930 гг. в связи с электрификацией Сурамского перевала на Закавказской железной дороге (линия Баку-Батуми). На линии эксплуатировались закупленные в Италии, США, и Германии 6-осные электровозы постоянного тока 3 кВ, получившие обозначение С (с индексом, соответствующим стране-изготовителю). В России было налажено производство электровозов на Коломенском заводе совместно с московским заводом «Динамо», который начал выпускать тяговые электродвигатели и электрооборудование. В 1932 г. был выпущен первый отечественный грузовой электровоз сети Сс, впоследствии – ВЛ19 (цифра 19 указывает осевую нагрузку в т на рельсы). Этот принцип сохранялся в обозначениях электровозов ВЛ22 и ВЛ23, позже перешли к указанию числа осей (постоянного тока ВЛ8), а затем добавили букву «О», которая обозначала род тока (электровозы, работающие на однофазном токе), соответственно 6-осные и 8-осные локомотивы ВЛ60, ВЛ80 (позднее буква трансформировалась в ноль).
Электровозы, имеющие обозначение ВЛ, были предназначены для грузового движения, хотя довольно часто используются и для тяги пассажирских поездов. Конструктивная скорость электровозов ВЛ обычно не превышает НО км/ч. В 70-е гг. был реализован переход на более мощные 12-осные электровозы на базе двух 6-осных секций, в каждой из которых кузов опирался на три 2-осные тележки (постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, ВЛ86). Однако одновременно получила распространение и концепция более гибкого типажного решения, когда выпускались 4-осные секции, из которых можно было формировать тяговые единицы из 2-4 секций (постоянного тока ВЛ11М, переменного тока ВЛ80С). По мере расширения электрификации ж. д. наряду с грузовыми электровозами начался выпуск скоростных электровозов, параметры которых были приспособлены для тяги пассажирских поездов. Первый пассажирский электровоз, получивший наименование ПБ (Политбюро), был выпущен Коломенским заводом в 1934 г. Электровоз имел 6 осей, групповой привод колесных пар. Небольшие партии грузовых электровозов ВЛ19, ВЛ22, ВЛ60 выпускались с измененным передаточным отношением от тяговых двигателей на колесные пары, что позволяло использовать их в пассажирских сообщениях (с дополнительной буквой П, например ВЛ60П).
В начале 90-х гг. произошло значительное снижение перевозочной работы, вследствие чего потребность в сверхмощных электровозах сократилась, имевшийся парк электровозов стал вполне достаточным для выполнения перевозок; выпуск новых электровозов сократился. Электровоз ВЛ85, имевший наиболее отработанную конструкцию, начали выпускать в односекционном исполнении (ВЛ65). Для возможности использования электровоза в пассажирском сообщении было применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей, в результате чего конструктивная скорость повысилась до 140 км/ч. Было предусмотрено электрическое отопление пассажирского поезда от электровоза. Такой электровоз фактически относится к классу универсальных – грузо-пассажирских.
Основу эксплуатируемого парка пассажирских локомотивов составляют 6-осные электровозы ЧС2 и ЧС2Т постоянного тока, электровозы ЧС4 и ЧС4Т переменного тока, а также 8-осные электровозы ЧС6, ЧС7 и ЧС200 постоянного тока и с такой же ходовой частью электровозы ЧС8 переменного тока (см. таблицу). С сер. 90-х гг. на магистральных ж. д. эксплуатируются скоростные пассажирские электровозы (1994 г.), 8-осные од-носекционные электровозы ЭП200, конструктивную скорость которых предполагалось довести до 250 км/ч, и упрощенная модификация такого электровоза на конструктивную скорость 160 км/ч. В 2001 г. в связи с развитием скоростного движения выпуск электровозов на максимальные скорости 200-250 км/ч увеличился. Основные пассажиропотоки в высокоскоростном пассажирском сообщении реализованы моторвагонными электропоездами. В сер. 90-х гг. были изменены обозначения новых электровозов: в обозначение грузовых электровозов ввели букву Э (например, Э1, Э2, ЭЗ и т.д.), а для пассажирских и универсальных – буквы ЭП, в частности электровоз ВЛ65 получил обозначение ЭП1, электровоз, выполненный на базе его механической части, с возможностью питания от сети как постоянного, так и переменного тока,- ЭП10.
[[Файл:5191.jpg|center]]
Наряду с электровозами для магистральных ж. д. производятся мощные промышленные электровозы (для тяговых агрегатов), используемые на открытых горных разработках (в основном на специализированном электровозостроительном заводе и на Новочеркасском заводе). Частично промышленные электровозы закупались в ГДР (локомотивный завод в г. Хеннингсдорф). Ввиду специфики работы тяговых агрегатов (необходимость преодоления очень крутых подъемов с уклонами до 80%о при выезде из карьера), в состав агрегата для усиления тяги входят моторные грузовые вагоны, тяговые электродвигатели которых питаются от электровоза.
'''Устройство.'''Электровоз является наиболее перспективным видом локомотива благодаря его самой высокой экономичности, относительно простой конструкционной компоновке, небольшим затратам на ремонт и техническое обслуживание, меньшей сложности в управлении, возможности реализации рекуперативного торможения, а также экологичное. Перспектива использования электровозов связана с сокращением запасов природного топлива и расширением применения ядерной и солнечной энергий, в результате чего появятся новые разновидности и конструктивные реализации.
[[Файл:520.jpg|center]]
Базовый тип электровоза можно считать вполне устоявшимся: любой электровоз (рис. 5.20) имеет токоприемник, в конструкцию входят экипажная часть (механическая), которая в значительной мере аналогична тепловозной и может быть унифицирована по одним признакам, электрическое и пневматическое оборудование. К механической части относится кузов, в котором размещаются кабины с пультом управления, высоковольтные камеры с электрооборудованием, вспомогательные электрические машины, предусмотрены проходы для локомотивной бригады и др. Кузов центральными опорами с упругими элементами опирается на рамы тележек, которые передают вертикальные нагрузки на колесные пары и через них на рельсы, а также служат опорой для тяговых электродвигателей и передают тяговые усилия от них на колесные пары и на кузов, а через кузов – поезду. В свою очередь рама каждой тележки опирается на 2 и 3, гораздо реже на 4 колесные пары через наружные буксовые подшипники и систему упругих элементов, обычно называемую буксовым подвешиванием.
'''Токоприемник.'''Токоприемник – электрический аппарат, служащий для создания контакта электрического оборудования электровоза с контактной сетью. Токоприемники различают по условиям работы – для токосъема с воздушной (проводной) контактной подвески и с контактного рельса; по конструктивному исполнению -пантографные для ЭПС ж.-д. транспорта, дуговые и штанговые – для трамваев и штанговые – только для троллейбусов, а также рельсовые – на линиях метрополитена.
''Пантографные токоприемники'', устанавливаемые на электровозе, имеют подъемный механизм в виде шарнирного много-звенника, применяются на электровозах магистральных ж. д. и трамваях. Пантографный токоприемник имеет симметрично расположенные подвижные рамы, соединенные с неподвижным основанием. На скоростном ЭПС получили распространение асимметричные конструкции с одним нижним рычагом, что позволяет снизить габаритные установочные размеры аппаратов. На верхних рамах с помощью кареток установлены один или два полоза, снабженные контактными вставками, которые при движении скользят по контактному проводу. Каретки с помощью пружинных элементов обеспечивают гибкую связь полозов и рам для уменьшения кратковременных динамических сил в точке контакта. Токоприемники должны обеспечивать съем токовых нагрузок в соответствии с действующими нормативами по вертикальному и горизонтальному габаритам положения контактного провода, необходимую поперечную жесткость, соответствовать требованиям к активной и пассивной составляющим статического нажатия, а также выдерживать повышение нажатия от аэродинамического воздействия, которое определяется скоростью обтекания аппарата воздушным потоком (при повышении скоростей движения, воздействии ветровых нагрузок). Как правило, аэродинамическая составляющая контактного нажатия не должна превышать 80% от среднего статистического нажатия для конкретного типа токоприемника.
Перевод токоприемника в рабочее положение осуществляется пневматическим приводом, установленным на основании токоприемника или на крыше электровоза. Токоприемник поднимается пружинами при подаче сжатого воздуха в пневмоцилиндр и опускается при выпуске воздуха. Необходимый уровень давления в пневмоцилиндре поддерживается в течение всего рабочего времени. Некоторые токоприемники имеют торсионный электромеханический привод, оборудованы специальными устройствами для автоматического опускания аппарата при ударе полоза о неисправный элемент контактной сети.
На скоростном ЭПС токоприемники часто выполняют в виде двух подвижных систем, когда на небольшие изменения высоты подвеса контактного провода реагирует верхняя система, а при больших ее изменениях (например, в зоне низких искусственных сооружений) работает и нижняя система рам, что позволяет стабилизировать контактное нажатие на оптимальном уровне. Для улучшения динамических процессов применяют систему авторегулирования положения верхней и нижней рам. Для улучшения токосъема на токоприемниках высокоскоростного ЭПС устанавливаются гидравлические амортизаторы.
Число и тип токоприемников, их расположение на электровозе выбирают с учетом конструктивных особенностей, скорости и мощности последнего. Номинальный ток токоприемника в режиме движения Iном.дв определяется нормированием перегрева вставок (возможно дополнительное нормирование по наступлению непрерывной электровзрывной эрозии), что связано с усиленным расходом контактного материала и снижением межремонтного пробега токоприемника. В режиме стоянки нормируется значение Iном.ст по Допустимой температуре перегрева контактного провода. Нагрузочная способность токоприемника, как правило, определяется выполнением верхнего узла, главным образом типом токосъемных вставок – угольных разных типов (в т. ч. металлосодержащих, металлокерамических, чисто металлических и др.), а также числом рядов вставок на полозе и числом полозов на токоприемнике. Как правило, на полозе в зависимости от требований по нагрузочной способности токоприемника имеется 2-4 ряда вставок, и число полозов не превышает двух. Возможны различные конструктивные решения, обеспечивающие стабильное положение полоза по отношению к контактному проводу с целью обеспечения оптимального формирования контактных мостиков между контактным проводом и токосъемными элементами полоза. Например, для стандартного однополозного токоприемника с тремя рядами угольных вставок типа А Iном.дв не превышает 1200 А, а для двухполозного токоприемника со вставками типа Б и металлокерамическими пластинами этот показатель соответственно составляет 2030 и 2200 А. Токоприемники пассажирских электровозов постоянного тока с 4 рядами металлокерамических вставок допускают при движении съем тока до 1600-1800 А. При реализации большой мощности ЭПС на участках постоянного тока возникает потребность применения как минимум двух рабочих токоприемников, причем как в режиме постоянной работы, так и на отдельных участках, где реализуется съем больших токовых нагрузок. В данном случае решается задача оптимизации режимов токосъема, позволяющая дать значительный экономический эффект.
В режиме стоянки при наличии одного контактного провода для однополозного токоприемника с металлокерамическими пластинами IНом.ст. = 300 А, с угольными металло-содержащими вставками – 150 А; для угольных вставок типа А этот показатель еще ниже. Для двойного контактного провода IНом.ст. увеличивается в 1,5 раза. Для обеспечения передачи необходимой мощности при стоянке и надежности режимов трогания по условиям токосъема, как правило, предусматривается дополнительный токоприемник, который после начала движения опускается. Подъем дополнительного токоприемника также широко практикуется при появлении на контактном проводе изморози и гололедных отложений, а также при автоколебаниях контактных подвесок.
'''Тяговый привод.'''Тяговый привод включает в себя тяговые двигатели, передачу, движитель, элементы подвешивания. Способ подвешивания тяговых двигателей имеет большое значение, поскольку именно он определяет конструкционную скорость электровоза, зависящую от величины неподрессоренных масс. В состав неподрессоренных масс всегда входит колесная пара вместе с корпусом буксы и надетым на ось колесной пары большим зубчатым колесом тягового редуктора, передающим силу тяги от тягового электродвигателя на колесную пару. Масса колесной пары (с буксовым узлом и большим зубчатым колесом) при номинальном диаметре 1250 мм (стандарт российских и зарубежных электровозов) может достигать 1,6-1,9 т. Простейшим является траверсное ''опорно-осевое подвешивание'' тяговых электродвигателей (грузовые электровозы ВЛ), когда остов двигателя одним концом опирается на ось колесной пары через моторно-осевой подшипник, а другим - через кронштейны на раму тележки. Тяговый электродвигатель имеет массу 6-8 т, поэтому в такой подвеске неподрессоренная масса составляет примерно 0,5 от общей массы, что существенно ограничивает максимальную скорость движения электровоза и увеличивает ударное воздействие на путь. При опорно-осевом подвешивании применяют простую передачу с жесткой фиксацией оси колесной пары, на которую насажено большое зубчатое колесо, и оси тягового двигателя, несущей малую шестерню тяговой передачи, в общем корпусе тягового редуктора.
На пассажирских электровозах, имеющих скорость более 120 км/ч, обязательным является ''опорно-рамное подвешивание'' тягового двигателя, когда он опирается полностью только на раму тележки и вся его масса, следовательно, является подрессоренной, что существенно способствует улучшению динамических качеств электровоза. Такое подвешивание характерно для электровозов ЧС, а также для российских электровозов (ЭП1, ЭП200 и других электровозов этой серии). При таком подвешивании тяговых двигателей затрудняется передача тягового усилия на колесную пару, поскольку в отличие от системы опорно-осевой подвески расстояние от оси двигателя до оси колесной пары изменяется при их колебаниях во время движения. При опорно-рамном подвешивании используются очень сложные передачи с карданным валом, пропущенным через полый вал тягового электродвигателя (электровозы ЧС), или с упругими муфтами на ряде электровозов (например, производства фирмы "Альстом").
Возможно применение ''опорно-кузовного подвешивания'', при котором тяговый электродвигатель подвешен к раме кузова снизу и, следовательно, подрессорен наилучшим образом. В этом случае существенно усложняется передача вращающего момента на колесную пару, т. к. она смещается и поворачивается относительно кузова, например, при входе электровоза в кривую или при колебаниях виляния состава. Такое подвешивание применяется обычно в сочетании с групповым приводом, например, широко использовано в поездах T)KB(TGV) высокоскоростных железных дорог (во Франции и др. странах). Двигатель расположен внутри кузова, поэтому нет габаритных ограничений на его исполнение, что характерно для опорно-осевого и опорно-рамного подвешиваний. Тяговый редуктор выполнен многоступенчатым с промежуточными зубчатыми колесами и распределением вращающего момента на две или три колесные пары (для 2- или 3-осных тележек).
''Рессорное подвешивание'' экипажа – система механических упругих элементов, предназначенная для смягчения ударных нагрузок и регулирования колебаний (перемещений) кузова. Рессорное подвешивание выполняется двухступенчатым с центральной ступенью (между кузовом и рамой тележки) и буксовой ступенью (между рамой тележки и буксой колесной пары). В качестве упругих элементов обычно используют цилиндрические винтовые пружины в сочетании с гидравлическими или фрикционными гасителями колебаний. В обеих ступенях обязательно предусматривают устройства для передачи продольных усилий при тяге и торможении. Эти устройства выполняются так, чтобы разгрузка колесных осей при действии продольных сил была минимальной. С этой точки зрения наилучшей является система низкого крепления и гибкого соединения рамы кузова с рамой тележки – на последней, наиболее близко расположенной к головке рельса (электровозы ВЛ85 и последующие серии Новочеркасского завода).
'''Электрическое оборудование.'''
[[Файл:521а.jpg|center]]
Электрическое оборудование включает в себя тяговые электродвигатели, вспомогательные электрические машины, статические преобразователи, устройства токосъема, аппараты защиты электрических цепей, аппараты и приборы управления, в которых использованы электронные системы, микропроцессоры, системы регистрации параметров и т. п. Тип электрооборудования, с одной стороны, определяется родом тока, получаемого из контактной сети (постоянный 3 к В или переменный напряжением 25 кВ с частотой 50 Гц), с другой стороны, типом тяговых электродвигателей – постоянного тока или бесколлекторные (асинхронные или вентильные). Электрическая часть электровозов постоянного тока прошла три этапа развития (рис. 5.21,а). На первом этапе были применены тяговые электродвигатели постоянного тока (1-4) на номинальное напряжение 1,5 кВ. Каждая пара двигателей постоянно включена последовательно, образуя неразъемный электрический модуль, нормально работающий под напряжением контактной сети 3 кВ без каких-либо промежуточных устройств. Простота электрической части и высокий кпд электровоза при работе на естественной характеристике являются основным преимуществом электровозов постоянного тока. Однако для регулирования режимов работы двигателей (при пуске после остановки, для изменения скорости) приходится использовать различные дополнительные устройства. На первом этапе применялся пусковой реостат (R1), изменение группировок, т. е. последовательное соединение нескольких модулей, ослабление поля трех тяговых двигателей (включение ОВ). Способы, являющиеся классическими, были использованы на самых первых электровозах в конце 19 в. и в основном остались без принципиальных изменений на электровозах эксплуатируемого парка. Недостаток этих способов связан в основном с наличием потерь энергии в пусковом реостате, а также с небольшим числом ходовых позиций, которые могут быть получены применением группировок в сочетании с ослаблением поля. Эти недостатки обусловили переход ко второму этапу развития, когда пусковой реостат был заменен импульсным преобразователем ИП, обычно выполняемым на тиристорах. При этом цепь тяговых двигателей шунтируют обратным диодом ОД. В такой схеме регулирование напряжения на двигателях (от нуля до напряжения в сети) осуществляется плавно и практически без потерь, поэтому обычно нет необходимости применять переключение группировок тяговых двигателей. Ослабление поля в такой схеме также может быть реализовано низковольтным импульсным преобразователем (ИП-ОП), подключаемым параллельно обмоткам возбуждения ОВ. Импульсное регулирование позволяет реализовать эффективный режим рекуперативного торможения с отдачей энергии в сеть даже в случае, если эдс тяговых электродвигателей, работающих в режиме генератора, 2Е < U - напряжения тяговой сети. Недостатком системы импульсного регулирования является наличие пульсаций тока в тяговых двигателях. Пульсации тока в тяговой сети сглаживаются фильтром Ф. На первом и втором этапах используются классические тяговые электродвигатели коллекторного исполнения, что является основным недостатком такого исполнения электрической части. На третьем этапе для решения проблемы регулирования режимов движения электровозов применены бесколлекторные электродвигатели - асинхронные и синхронные или вентильные, работающие на 3-фазном переменном токе, частота f которого и напряжение U пропорциональны частоте вращения электродвигателя, т. е. соответствуют изменению скорости движения электровоза V (закон Костенко). Преобразование постоянного напряжения контактной сети в регулируемое 3-фазное обычно реализуется двухзвенным преобразователем, содержащим импульсный преобразователь ИП и автономный инвертор АИ. При использовании бесколлекторных электродвигателей появляется реальная возможность повысить напряжение в контактной сети. По предложению проф. В. Е. Розенфельда была опробована система на напряжение б кВ (находит применение в основном система на напряжение 12 кВ). При бесколлекторных электродвигателях довольно просто реализуется режим рекуперативного торможения: поток мощности меняет свое направление, АИ работает в режиме зависимого инвертора, ведомого сетью, а ИП работает в режиме передачи энергии в контактную сеть.
[[Файл:521б.jpg|center]]
Аналогичные этапы развития характерны и для электровозов переменного тока (рис. 5.21,б). Электрическая тяга переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) была освоена значительно позже, чем система постоянного тока. Массовая электрификация на переменном токе 25 кВ 50 Гц и соответственно применение электровозов переменного тока стали возможными только после освоения выпрямителей – сначала на базе ртутных вентилей (игнитроны), а потом на основе полупроводниковых кремниевых диодов. Это определило классическую схему электрической части первых электровозов переменного тока с трансформатором ТР (понижающим напряжение контактной сети до 1-1,6 кВ), диодным выпрямителем В, сглаживающим реактором СР и тяговыми электродвигателями постоянного тока. Однако эти двигатели работали в условиях значительных пульсаций выпрямленного тока (до 20%), специальные конструктивные меры были направлены на приспособление этих двигателей к работе в условиях наличия гармоники 100 Гц в выпрямленном токе (двигатели пульсирующего тока).
Существенным недостатком электровозов ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т; ВЛ80С, ЧС4, ЧС4Т, ЧС8 является невозможность реализации режима рекуперативного торможения. Регулирование напряжения на тяговых электродвигателях при помощи переключения отпаек обмоток трансформатора ТР требовало значительного числа выводов вторичной (электровозы ВЛ) или первичной (электровозы ЧС) обмотки. Переход с одной отпайки на другую без разрыва электрической цепи обусловливало применение специальных переходных реакторов. Эти недостатки были устранены при использовании в выпрямительной установке тиристоров, т.е. управляемого выпрямителя, который позволил реализовать выпрямительный режим с плавным изменением угла отпирания тиристоров, а при рекуперации – режим зависимого инвертора с плавным регулированием тока рекуперации. Одновременно с этим постоянный ток на выходе тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме, преобразуется в однофазный переменный ток, что позволяет трансформировать его имеющимся на электровозе трансформатором ТР и передавать энергию рекуперации в контактную сеть. Преобразовательная установка получила название выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП; применяется на грузовых электровозах (ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65) и пассажирских (ЭП1). При условии, что регулирование осуществляется изменением угла отпирания тиристоров ВИП, нет необходимости выполнять трансформатор ТР с большим числом выводов, достаточно четырех секций вторичной обмотки для реализации 4-зонного регулирования выпрямленного напряжения.
На третьем этапе развития произошел переход на бесколлекторные тяговые электродвигатели. Первые попытки использования асинхронных тяговых двигателей относятся к нач. 19 в. В 1904 г. проф. Кальман Кандо (главный инженер завода ГАНЦ, г. Будапешт) реализовал на севере Италии на горной линии с уклонами до 28% систему электрической тяги, при которой электровоз получал питание по двум контактным проводам (фазы А, В) и по ходовым рельсам (фаза С), что позволило передать на двигатель 3-фазное переменное напряжение. Электрическая часть электровоза состояла из трансформатора и асинхронных тяговых двигателей, которые на вредном спуске автоматически переходили в режим генератора (рекуперативного торможения). Частота питания электродвигателей оставалась постоянной и равной 50 Гц, а регулирование пусковых режимов двигателей осуществлялось при помощи водяных реостатов. Впоследствии такая система довольно широко распространилась на ж. д. Италии, где электрическая тяга применялась в тяжелых условиях горных участков с подъемами на альпийские перевалы. Электровозы отличались простотой и высокой надежностью конструкции, но двухпроводная контактная сеть оказалась слишком сложной, особенно на воздушных стрелках в горловинах станций. Однако была доказана возможность использования асинхронных двигателей.
В 1928 г. проф. К. Кандо реализовал систему электрической тяги однофазного переменного тока 15 кВ 50 Гц на ж. д. Венгрии. На электровозе был установлен электромашинный фазорасщепитель, который преобразовывал однофазное напряжение в симметричное 3-фазное для питания асинхронных тяговых двигателей.
С появлением управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров – стало возможно реализовать преобразовательную установку с плавным регулированием как напряжения, так и частоты, что существенно улучшило регулировочные качества тягового привода электровоза. Такой принцип был впервые использован на электровозе ВЛ80А, на базе которого был потом разработан 12-осный электровоз ВЛ86.
Одновременно с работами над тяговым приводом проводились исследования по применению на электровозах вентильных электродвигателей, относящихся к классу синхронных электрических машин, т. е. частота тока в сети, от которой они получают питание, должна соответствовать частоте вращения ротора двигателя. Идея использования такого двигателя для тяги была высказана проф. Б. Н. Тихменевым в 30-е гг., но практически первый электровоз с вентильными двигателями ВЛ80В был создан только после освоения производства тиристоров. Тяговый привод с вентильными двигателями установлен на скоростном электровозе ЭП200, а также на ряде зарубежных электровозов переменного тока. Принципиальной разницы между электровозами с асинхронными и вентильными двигателями нет – в обоих случаях использован простой по конструкции бесколлекторный двигатель; примерно одинаковые преобразовательные установки для питания и регулирования этих двигателей. И те и другие электровозы являются перспективными, но пока их производство значительно более дорогое, чем электровозов с двигателями пульсирующего тока. В 90-е гг. разработан электровоз ЭШО, который является двухсистемным (рис. 5.22), может работать как от контактной сети постоянного тока 3 кВ, так и от сети переменного тока 25 кВ на частоте 50 Гц. Предусмотрены варианты питания только постоянным или только переменным током.
[[Файл:522.jpg|center]]
Мощность электровозов определяется числом их осей, а каждая ось имеет обычно предельную силу тяги, ограничиваемую условиями сцепления колес с рельсами. Предельная сила тяги оси равна осевой нагрузке (например, на российских электровозах обычно до 25 т на ось), умноженной на коэффициент сцепления, который для режима трогания электровоза может быть принят равным 0,3 (рис. 5.23).
[[Файл:523.jpg|center]]
Таким образом, предельная сила тяги оси при трогании составляет 75 кН, что для 8-осного электровоза соответствует 600 кН, а для 12-осного – 900 кН. При повышении скорости сила тяги должна постепенно снижаться, так как при этом снижается коэффициент сцепления. Затем тяговая характеристика электровоза соответствует примерно гиперболе, т. е. постоянству мощности. Особое значение имеет мощность в точке выхода на естественную характеристику, т. е. при пересечении кривой ограничения по сцеплению с естественной тяговой характеристикой примерно постоянной мощности:
Fк*v = const. У грузового электровоза с поездом критического веса эта мощность на руководящем подъеме соответствует расчетному длительному режиму (точка а). У пассажирского электровоза расчетная точка (б) номинального длительного режима обычно значительно смещена в сторону высоких скоростей.
Электровозы двухсистемного питания используются для обслуживания движения на стыке ж. д. с различными электрическими системами, такие электровозы имеют обычно для каждой из систем отдельные токоприемники, что вызвано спецификой конструктивного исполнения контактных подвесок постоянного и переменного тока (первые более тяжелые и требуют токоприемника с нажатием до 20-25 Н, вторые более легкие и для них достаточно нажатия токоприемника 12-15 Н). В грузовом движении широко применяют 8-осные двухсистемные электровозы (ВЛ82 и ВЛ82М). На этих электровозах установлены нерегулируемые трансформаторы, что существенно снижает их массу; для регулирования тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения в обеих системах электропитания применяются реостаты. Наиболее совершенными двухсистемными электровозами являются электровозы ЭП10 с асинхронными двигателями.
Кроме рассмотренных электровозов постоянного и переменного тока пониженной частоты 15 кВ 1б2/з Гц, за рубежом (Германия, Австрия, Швейцария, Швеция, Норвегия) в эксплуатации находятся электровозы с коллекторными тяговыми двигателями однофазного переменного тока. Фактически такой двигатель является электрической машиной постоянного тока, приспособленной к работе на переменном токе пониженной частоты, т. к. именно при условии понижения частоты может быть обеспечено их надежное функционирование. Такой электровоз имеет достаточно простую электрическую часть, содержащую трансформатор, вторичные обмотки которого непосредственно (без выпрямителей) питают тяговые электродвигатели. Регулирование двигателей осуществляется переключением отпаек трансформатора – обычно со стороны первичных обмоток. С 90-х гг. за рубежом в эксплуатации в этой системе находится значительное число электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, схема питания которых соответствует схеме, приведенной на рис. 5.21,6 (для этапа 3). При этом система пониженной частоты, в которой отсутствуют выпрямители, становится ненужной – электровоз становится аналогичным электровозу, работающему на переменном токе 25 кВ и частоте 50 Гц. Однако в Западной Европе, где применяется большое число различных систем электрической тяги (постоянный ток 3 и 1,5 кВ, а в Великобритании также 0,75 кВ с контактным рельсом, переменный ток 25 кВ частотой 50 Гц и 15 кВ частотой 1б2/3 Гц), в локомотивном парке предусматриваются 2-, 3-, и 4-системные электровозы, которые обеспечивают безостановочное движение на стыке разных систем. При использовании асинхронных тяговых двигателей исполнение многосистемных электровозов существенно упрощается.
'''Пневматическое оборудование.'''Пневматическое оборудование обеспечивает работу тормозных систем состава и электровоза. Кроме того, сжатый воздух используется в приводах различной электроаппаратуры на самом электровозе (токоприемники, контакторы, групповые электрические аппараты, в т. ч. реверсоры и тормозные переключатели) для работы пескоподающей системы, гребнесмазывателей, стеклоочистителей и др. К пневматическому оборудованию относятся главные и вспомогательные компрессоры с приводным двигателем и электродвигателями, главные воздушные резервуары, которые размещаются на крыше и частично под кузовом, воздушные трубопроводы, соединенные с магистралями состава, краны машиниста для управления тормозами, реле и регуляторы давления, концевые и разобщительные краны, переключатели электропневматического тормоза.
Пневматическое оборудование питает воздушные системы, от работы которых зависит безопасность движения, обеспечение расчетного тормозного пути. Контролю тормозной воздушной магистрали уделяется особое внимание: пробу тормозов производят при каждой прицепке электровоза к составу, при остановке поезда на участковых станциях и при любом изменении составности поезда, а также в местах, обозначенных путевыми указателями (обычно перед участком с вредным спуском и остановками на станциях).
[[Категория:Основные типы локомотивов]]