Второе рождение электровозов ВЛ80

   Сейчас на электрифицированных дорогах переменного тока эксплуатируется или находится в резерве большое число магистральных электровозов ВЛ80Т, ВЛ80С. Они были изготовлены на Новочеркасском электровозостроительном заводе в 70 — 80-е годы и в значительной мере выработали свой ресурс. На этих локомотивах установлены морально устаревшие системы тягового и вспомогательного электропривода, их экономичность значительно отстает по сравнению с электровозами новых поколений. Кроме того, для большинства из них подошел срок проведения ремонта КР-2.

   В этой связи, по согласованию с Департаментом локомотивного хозяйства (ЦТ) МПС, ОАО «ВЭлНИИ» разработало техническое задание и технические условия на капитально-восстановительные ремонты (КВР). Задача КВР — не только дать вторую жизнь большому парку устаревших электровозов, но и резко поднять их экономичность. Предполагается, что в результате проведения КВР на заводе НЭВЗ срок окупаемости выполненного ремонта составит не более 3 лет, причем, прежде всего — за счет экономии электроэнергии.

   Обновленные электровозы получат название Н80М.

    На локомотивах предусматривается сохранение конструкций тележек, их связей с кузовом. Люлечное подвешивание будет модернизировано, усилят также элементы тележек. Кузов собираются модернизировать применительно к вновь устанавливаемому оборудованию. Тяговый трансформатор ОДЦЭ- 5000/25Б, тяговые двигатели НБ418К6, сглаживающие реакторы РС53 и другое сохраняемое силовое электрооборудование будет капитально отремонтировано в объеме КР-2. При этом на тяговом трансформаторе введут специальную вторичную обмотку на напряжение 3 кВ, чтобы отапливать пассажирские вагоны.

   Модернизация тяговых двигателей заключается в переделке якоря и замене изоляции обмоток на современную при сохранении установочных и присоединительных размеров, а также параметров в часовом и продолжительном режимах. Расход охлаждающего воздуха на тяговые двигатели будет снижен до 70 м3/мин вместо 105 м3/мин до модернизации. Улучшение системы вентиляции обеспечит значительное снижение мощности, расходуемой на вентиляцию. При часовом режиме эта мощность составит около 2,5 % от номинальной.

   Основой модернизации электровозов ВЛ80 будет оборудование их системой рекуперативного электрического торможения с использованием выпрямительно-инверторных преобразователей ВИП4000М производства ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск. Преобразователи ВИП-4000М были ранее установлены на электровозах ВЛ85 № 134, 252, 253, успешно прошли опытную эксплуатацию и продолжают на них работать. Управлять данными преобразователями должны микропроцессорные системы (МКС) как в режимах тяги, так и рекуперативного торможения. При этом они обеспечат поддержание заданных машинистом значений силы тяги и ограничений скорости. С помощью МКС электровоз будет защищен от боксования и юза.

   Основные технические параметры электровоза Н80М сохранятся: номинальное напряжение питания — 25 кВ, 50 Гц; формула ходовой части — 2(20 — 20); нагрузка на ось — (23,5 ± 0,5) тс; мощность часового режима — 5300 кВт; сила тяги часового режима — около 47 тс; конструкционная скорость — 110 км/ч. Тормозные усилия, развиваемые электровозом в режимах рекуперативного торможения, составят не менее 33 тс при скорости 50 км/ч и не менее 22,5 тс при скорости 80 км/ч.

   При создании этого, практически нового, локомотива широко используют опыт, накопленный при постройке электровозов ВЛ85, ВЛ65, ЭП1.

   На рис. 1 показана силовая электрическая схема будущего локомотива. Основные новые элементы в схеме привода — ВИП (U1 и U2). Как и на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, они имеют четырехзонное регулирование.

 Рис 1. Силовая электрическая схема системы тягового электропривода секции электровоза Н80М

   Первая зона — глубокое фазовое регулирование напряжения на тяговых двигателях от нуля до 250 В, питание поступает соответственно от выводов тягового трансформатора 1 — 3 и 5 — 7.

   На второй зоне регулирования происходит наложение напряжения с выводов тягового трансформатора 3 — 01 и 7 — 02 на ранее выпрямленное напряжение. Диапазон изменения выходного напряжения — от 250 до 500 В. После полной выборки второй зоны тяговая нагрузка переключается на обмотки а1 — х1 и а2 — х2. При переходе напряжение на выходах ВИП увеличивается на величину около 50 В.

   На третьей зоне регулирования к напряжениям тяговых обмоток а1 — х1 и а2 — х2 плавно добавляется напряжение обмоток 1 — 3 и 5 — 7. Выпрямленные напряжения при этом растут с 570 до 820 В. На последней, четвертой, зоне также наложением напряжения обмоток 3 — 01 и 7 — 02 итоговая величина увеличивается до номинального 950 В.

   В режимах тяги двигатели работают с последовательным возбуждением, как и на всех электровозах. Однако при переходе в режим рекуперации они переключаются на генераторный режим с независимым возбуждением.

   Схема цепи возбуждения в значительной мере подобна применяемой на электровозах с реостатным торможением ВЛ80Т, ВЛ80С. Отличие в том, что двухполупериодные возбудители тяговых двигателей U3 установлены на каждой секции электровоза, обеспечивая питание обмоток возбуждения лишь четырех машин. При этом исключаются межсекционные силовые провода. В то же время малая нагрузка возбудителя, около 0,05 Ом, потребовала применить схему с нулевым диодом типа ВУВ-53.

   Использование тяговой обмотки трансформатора для питания возбудителя приведет к некоторой неравномерности нагрузки на секции тягового трансформатора. Однако это не скажется на его надежности, так как все обмотки охлаждаются единым потоком масла. Неравномерность нагрева обмоток не превысит 2 — 3°С.

   Номинальное напряжение между выводами 02 — 8 и 8 — 7, к которым подключен возбудитель, равно 145 В. Выпрямленное напряжение при полностью открытых тиристорах будет около 130 В. В то же время при часовом токе возбуждения необходимо напряжение 48 В, что значительно меньше указанного. Внесение изменений в параметры тягового трансформатора при проведении КВР весьма сложно. Этим обусловлено использование возбудителя с нулевым диодом. При номинальном токе возбуждения в режиме рекуперации токи тиристорных плеч будут равны примерно 200 А, диодного — 550 А. Пульсации тока возбуждения не превысят 10 %.

   Другим нововведением, обеспечивающим существенное снижение затрат электроэнергии, является регулируемая система питания двигателей привода вентиляторов, аналогичная примененной на электровозе ЭП1 (см. «Локомотив» № 6, 1998 г.). Электрическая схема системы приведена на рис. 2, принцип регулирования — двухступенчатый.

 Рис 2. Силовая электрическая схема системы вспомогательного электропривода секции электровоза Н80М
А5 - преобразователь частоты и числа фаз ПЧЧФ-120; М11-М14 - вспомогательные асинхронные двигатели НВА-55;
М15 - маслонасос 1ТТ63/10; С1-С4 -  конденсаторы КЭС-0,5-38; А1 - реле напряжения ПРН-8

   Если температура окружающего воздуха около +20°С, а ток тяговых двигателей превышает 500 А, то двигатели привода вентиляторов МВ1 и МВ2 получают питание частотой 50 Гц. Мощность, расходуемая на вентиляцию всего локомотива в этом режиме, около 150 кВт. Если ток тяговых двигателей меньше 500 А, то к мотор-вентиляторам подводится питание частотой 162/з Гц через непосредственный преобразователь частоты и числа фаз. Количество охлаждающего воздуха снижается в 3 раза, однако мощность, расходуемая на вентиляцию, уменьшается до 10 — 12 кВт. Превышение температуры меди тяговых двигателей НБ418К над окружающим воздухом при токе 500 А в этом случае составит не более 80°С.

   В случае снижения температуры окружающего воздуха установка тока переключения возрастает и при температуре -40°С составит около 700 А, т.е. в зимнее время почти непрерывно будет поддерживаться пониженная производительность вентиляторов. В свою очередь, это снизит количество влаги на тяговом электрооборудовании, перепады температуры изоляции и др.

   С учетом опыта эксплуатации электровоза ВЛ85 № 114, на котором в 1989 г. был установлен первый вариант такой системы привода, ожидается, что не менее 70 % времени эксплуатации локомотив Н80М с грузовыми составами будет работать при пониженной производительности вентиляторов, обеспечивая экономию не менее 10 % от энергии, расходуемой на тягу (по сравнению с ВЛ80С и ВЛ80Т). В случае работы столь мощного электровоза с пассажирскими составами переход на питание частотой 50 Гц маловероятен.

   В качестве вспомогательных машин для привода вентиляторов и компрессоров будут использованы двигатели НВА-55 производства НЭВЗ, аналогичные по своим параметрам двигателю АНЭ2251-4УХЛ2 производства ВЭМЗ. Большая партия двигателей НВА-55 успешно прошла эксплуатационные испытания на электровозах ВЛ65.
   В электрической схеме привода отсутствует расщепитель фаз, что дополнительно снижает шум в кабине машиниста, повышает энергетические параметры электровоза в целом. При работе мотор- вентилятора на частоте тока 162/з Гц их практически не слышно в кабине машиниста.

   Чтобы обеспечить качественный пуск первой машины с частотой 50 Гц, на период переходного процесса включаются контакторы КМ1 и КМ2, увеличивающие пусковую емкость. После окончания пуска, о чем свидетельствует резкий рост напряжения между фазами С2 и СЗ, срабатывает реле А1, которое отключает избыток емкости. Конденсаторы С1 и С2 являются пусковыми для всех машин и рабочими для МВ1 и МВ2 соответственно, СЗ и С4 — рабочие емкости мотор-компрессора и МВЗ. Переключение МВЗ на пониженную частоту не предусматривается, так как он работает лишь в режиме рекуперации.

   Микропроцессорная система управления тягой и торможением получает информацию о токах всех тяговых двигателей и в цепях возбуждения. Помимо управления ВИПом, МКС выдает кодовый сигнал в ПЧЧФ-120 о величине тока наиболее нагруженного тягового двигателя. ПЧЧФ-120 реализует заданный алгоритм управления мотор-вентиляторами и маслонасосом.

   Кроме перечисленного, электровозы будут оборудованы следующими системами обеспечения безопасности движения: электропневматическим тормозом (ЭПТ) для работы с пассажирскими составами, комплексным локомотивным устройством безопасности (КЛУБ), системой автоматического управления торможением поезда (САУТ-Ц), электронным скоростемером (КПД-3), телемеханической системой контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ).

   Таким образом, основной экономический эффект от создания электровоза Н80М на базе отработавших свой срок ВЛ80Т и ВЛ80С будет получен от внедрения рекуперативного электрического торможения, усовершенствованной системы вентиляции и новой, экономичной системы вспомогательного электропривода.

   Затраты на модернизацию составят 50 — 70 % стоимости нового локомотива с этими параметрами. Электровозы ВЛ80Т, ВЛ80С получат вторую жизнь, а локомотивные службы дорог — резкое снижение затрат на грузоперевозки, улучшение условий труда локомотивных бригад. Малые сроки окупаемости затрат должны поставить проведение КВР в число первоочередных работ.

Инж. А.И. ЛЕЩЁВ,
 канд. техн. наук А.М. РУТШТЕЙН,
 ВЭлНИИ