Перед тем, как приступить к изучению силовой схемы моторного вагона электропоезда ЭД4М, напомним несколько положений, общих для всех электропоездов с электрическим торможением. Схема обеспечивает плавный пуск и регулирование скорости в тяговом режиме, реверсирование двигателей. В ней предусмотрен автоматический вывод пусковых резисторов при пуске, переход в тормозной режим с поддержанием тока якоря (тормозного усилия) в режиме рекуперации от максимальной скорости до скорости 50...45 км/ч.
Система управления обеспечивает автоматический переход на реостатное торможение с самовозбуждением со скорости 50...45 км/ч до 15... 10 км/ч и с последующим применением электропневматических тормозов (дотормаживание) перед остановкой.
Если во время рекуперации напряжение в контактной сети превысит допустимое максимальное значение 4кВ (сеть не готова к приему), произойдет переход на замещающее реостатное торможение с независимым возбуждением. Это исключает один из неблагоприятных режимов работы.
Тяговые двигатели получают питание из контактной сети через токоприемник ПК и фильтр, состоящий из дросселя ДрФ и конденсатора С1 (он снижает радиопомехи, возникающие при работе электропоезда).
Разрядники Рр1 и Рр2 защищают оборудование от грозовых и коммутационных перенапряжений. Аппарат Рр1 присоединен к раме токоприемника, Рр2 установлен после фильтра и срабатывает при мощных атмосферных разрядах, а также снимает остаточные перенапряжения с конденсатора С1.
Разъединитель ГР служит для отключения силовых цепей тяговых двигателей от токоприемника и заземления силовой схемы во время осмотра или ремонта электропоезда под контактным проводом. В заземленном положении ножа через резистор R22 (102 кОм) разряжается конденсатор С1.
Быстродействующий выключатель БВ (ток уставки 650+65 А) предназначен для аварийных отключений тяговых двигателей при коротких замыканиях в режиме тяги. Режим электрического торможения контролируется аналогичным аппаратом - выключателем защиты торможения ВЗТ (ток срабатывания 600+20 А).
Чувствительность срабатывания ВЗТ и БВ значительно повышается при воздействии на них дифференциальной защиты. Она состоит из дифференциального реле, имеющего две катушки ДР1 и ДР2, и дифференцирующего трансформатора ТрД. Реле ДР и трансформатор ТрД, установленные параллельно, дублируют друг друга.
Реле ДР реагирует на разность токов в начале и конце силовой цепи, неизбежную при коротких замыканиях. Оно срабатывает при относительно медленном нарастании аварийного тока (при так называемых неполных коротких замыканиях). Разность токов, протекающих через катушки ДР1 и ДР2, составляет 50 ± 15 А. При резком повышении аварийного тока срабатывает трансформатор ТрД и подобно реле ДР отключает аппараты ВЗТ и БВ. Можно сказать, что дифференциальная защита значительно снижает их уставку.
Через диоды Д1 и Д2 протекает ток рекуперации. Шунтирующая цепь: диоды Д30...Д37, тиристор Тт9, стабилитрон ПП2, резисторы R71, R73, емкость С15, контактор тормозного переключателя Тп9 - действует кратковременно только при отключениях тяги. Онаслужит для уменьшения комутационных перенапряжений на коллекторах двигателей и облегчения условий дугогашения контакторов ЛК и ЛКТ.
Контакторы ЛК, ЛКТ, Т и Ш требуются для включения и отключения питания тяговых двигателей. Реверсивно-тормозной переключатель РТП предназначен для изменения направления движения (изменения направления тока в обмотках возбуждения), переключения цепей тяговых двигателей для перевода схемы из тяги в режим торможения.
С помощью пускотормозных резисторов R1...R9 регулируется ток тяговых двигателей в режимах тяги и электрического торможения. Резисторы R10...R15, R24 служат для регулирования тока при ослаблении возбуждения (при реостатном торможении с самовозбуждением они остаются включенными параллельно обмоткам двигателей).
Индуктивный шунт (ИШ) обеспечивает требуемое распределение тока между обмотками возбуждения и шунтирующей цепью при переходных процессах в режиме тяги (отрыв и последующее касание контактного провода лыжей токоприемника и др.). При коротких замыканиях в режимах электрического торможения индуктивный шунт замедляет аварийное нарастание тока.
Для обогрева вагонов электропоезда применены калориферы ЭК1 и ЭК2, а также электропечи ЭП1. Система отопления прицепных (головных) вагонов и двигатели преобразователей получают питание от моторного вагона через межвагонные соединения Ш1, Ш2.
Для учета потребляемой энергии и ее отдачи при рекуперации установлены два счетчика Wh1 и Wh2. Вольтметр V2 измеряет напряжение на якорях тяговых двигателей и требуется для настройки системы электрического торможения. Амперметр А1 измеряет общий ток силовой цепи, А2 - ток шунтирующей цепи. Прибор A3 указывает ток якорей в режиме тяги (в режиме рекуперации - ток возбуждения).
Герконовые реле напряжения РН и реле максимального напряжения РМН предохраняют оборудование от пониженного и повышенного напряжений контактной сети. Высоковольтные цепи отопления защищены двухкатушечным дифференциальным реле (РД1.1, РД1.2) Цепи подачи высокого напряжения на прицепные вагоны, как и цепи отопления, контролируются высоковольтными предохранителями.
ТЯГОВЫЙ РЕЖИМ.
После приведения поезда в рабочее состояние восстанавливают защитные аппараты БВ и ВЗТ. При переводе реверсивной рукоятки в рабочее положение и установке штурвала контроллера машиниста в маневровое положение сначала разворачиваются оба кулачковых вала реверсивно-тормозного переключателя РТП. Вал реверсора поворачивается в положение, соответствующее положению реверсивной рукоятки, вал тормозного переключателя - в положение тяги, замыкая свои четные контакторы ТП2, ТП6 и т.д. (в режиме тяги замыкается также один нечетный контактор ТП9).
После установки данных аппаратов в требуемое положение включаются линейные контакторы ЛК и ЛКТ, и поезд приходит в движение. При этом его скорость минимальна, так как в цепь тяговых двигателей полностью введены пусковые резисторы (R1, R4...R8). Все реостатные контроллеры находятся на первых позициях, т.е. собран маневровый режим.
Скорость поезда начинает возрастать после перевода штурвала контроллера в положение 1. На электронный блок реле ускорения БРУ по проводам 603 - 638 поступает низковольтный сигнал от датчика ДТЯ1, пропорциональный силовому току. В зависимости от заданной машинистом уставки тока на БРУ по проводам 33 - 34 подается также сигнал с пульта управления.
Кулачковый вал реостатного контроллера на каждом вагоне под контролем БРУ поворачивается с одной позиции на другую, выводя пусковые резисторы из цепи тяговых двигателей. Это вызвано тем, что в процессе увеличения скорости и уменьшения тока якорей надобность в пусковых резисторах постепенно отпадает.
Силовые контакторы реостатного контроллера РК 1...17 при его переходе с позиции на позицию замыкаются в соответствии с диаграммой. В положении 1 штурвала контроллера машиниста РК достигает позиции 14 и останавливается. Пусковые резисторы полностью выведены, они закорочены контактором 9. Тяговые двигатели могут длительно работать на безреостатной характеристике при полном возбуждении.
Для дальнейшего увеличения скорости поезда штурвал контроллера устанавливают в положение 2. Кулачковый вал РК поворачивается на позиции 15, 16. Включаются контакторы Ш, 10 и 11, подсоединяя параллельно обмоткам возбуждения шунтирующую цепь: индуктивный шунт ИШ, контактор Ш, резисторы R10...R15.
Теперь часть тока, протекавшего через обмотки возбуждения, ответвляется в указанную цепь, создавая так называемое ослабление возбуждения. Такой процесс приводит к увеличению тока якорей, возрастанию мощности, потребляемой из контактной сети, силы тяги и, следовательно, скорости поезда.
После перевода штурвала контроллера в положения 3 и 4 происходит аналогичный ступенчатый вывод резисторов R11...R14. Так, в положении 3 РК доходит до позиции 18, выводя R11 и R12, в положении 4 - до последней, 20-й позиции, выводя R13 и R14. Уменьшение сопротивления шунтирующей цепи приводит к максимальному ослаблению возбуждения тяговых двигателей и выходу на естественную характеристику. Скорость электропоезда достигает наибольшего значения.
При сбросе штурвала контроллера на нуль из ходовых положений 2...4 тяга отключается в два приема: контактор Ш размыкается сразу, а контакторы ЛК и ЛКТ - с некоторой задержкой, равной примерно 1,2 с. Отключение Ш вызывает увеличение возбуждения двигателей до нормального и снижение тока якорей. Уменьшившийся ток окончательно разрывают ЛК и ЛКТ. Тем самым облегчается дугогашение контакторов, улучшаются потенциальные условия на коллекторах тяговых двигателей.
Погасить мощную электрическую дугу помогает также контур из диодов Д30...Д37. Поскольку обмотки возбуждения двигателей имеют большую индуктивность, в момент отключения цепи возникают достаточно опасные перенапряжения.
За счет электродвижущей силы (э.д.с.) самоиндукции напряжение на резисторах делителя R71, R73 повышается до уровня, при котором открывается стабилитрон ППЗ. Подается сигнал на управляющий электрод тиристора Тт9, и он открывается.
Токи самоиндукции могут замыкаться по кратчайшему контуру, не попадая на линейные контакторы: обмотки возбуждения (кратковременный, но очень мощный источник тока), контактор тормозного переключателя ТП9, тиристор Тт9, диоды Д30...Д37, якоря двигателей, обмотки возбуждения.
После окончания переходного процесса, когда токи самоиндукции исчезли, тиристор закрывается. Контактор ТП9 размыкается, отключая ставший уже ненужным защитный контур. Иными словами, эта цепь работает кратковременно в момент отключения тяги. Заметим, что на поездах последних выпусков в указанную цепь введен резистор 2,4 Ом для ограничения времени спадания тока.
ТОРМОЗНОЙ РЕЖИМ
Для работы тяговых двигателей в тормозном режиме в силовой схеме имеется следующее оборудование:
-статический управляемый тиристорный преобразователь (тиристорный мост) Тт1...Тт6. Он предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения с независимым возбуждением. (Обмотки возбуждения отсоединяются от якорей и запитываются от тиристорного моста.);
- контактор обмоток возбуждения (ОВ), подключающий обмотки к тиристорному мосту;
- контактор возбуждения (KB), подающий трехфазное переменное напряжение 220 В от генератора через трансформатор на тиристорный мост;
- трансформатор возбуждения (ТрВ), обеспечивающий гальваническую развязку питающей и высоковольтной цепей и необходимое понижение переменного напряжения; -- быстродействующий защитный выключатель (ВЗТ), выполняющий те же функции, что и БВ в режиме тяги.
Тормозной переключатель при отключении тяги каждый раз автоматически устанавливается в тормозное положение (замыкаются его нечетные контакторы). Сбор схемы начинается после установки штурвала контроллера машиниста в тормозное положение.
При этом включаются контакторы KB, OB, ЛК, ЛКТ и Ш. Ток возбуждения тяговых двигателей регулируется электронным блоком системы автоматического управления торможением САУТ, который воздействует на тиристорный мост Тт1...Тт6. Переменное напряжение, поданное на мост контактором KB, выпрямляется и плавно увеличивается от нуля до максимального значения.
Обмотки возбуждения двигателей отсоединяются от якорей контактором ТП6 и присоединяются к тиристорному мосту контактором ОВ. Поэтому ток протекает по цепи: плюсовой выход тиристорного моста, контактор ОВ, контакт реверсивного переключателя В1 , обмотки возбуждения, контакт реверсивного переключателя В2, шунт амперметра A3, контакт ВЗТ, датчик тока возбуждения ДТВ, минусовой выход тиристорного преобразователя.
Ток рекуперации протекает по цепи: рельсы, заземляющее устройство ЗУ, шунт амперметра А1 , катушка дифференциального реле ДР2, трансформатор ТрД, контакт ВЗТ, индуктивный шунт ИШ, датчики тока якорей ДТЯ1 и ДТЯ2, якоря М4...М1 , контактор ЛКТ, контактор тормозного переключателя ТП1, блок диодов Д2, Д1, контактор ЛК, трансформатор ТрД, катушка реле ДР1 , контакты БВ, разъединитель ГР, дроссель Дрф, токоприемник, контактная сеть.
Таким образом, тяговые двигатели последовательного возбуждения стали генераторами с независимым возбуждением. Электропоезд начинает отдавать электрическую энергию в сеть, создавая при этом тормозной момент. Частота вращения якорей снижается. Одновременно уменьшается напряжение, вырабатываемое генераторами (тяговыми двигателями), а значит, и ток рекуперации.
Если не принять мер, то с уменьшением тока будет снижаться и тормозной момент, электрические тормоза начнут«отпускать». Чтобы этого не происходило, блок САУТ, воздействуя на тиристоры моста Тт1...Тт6, увеличивает ток в обмотках возбуждения.
Несмотря на уменьшение скорости электропоезда, ток якорей автоматически поддерживается на строго определенном уровне (тормоза «не отпускают»). Тормозной эффект и ток якорей зависят от положения штурвала контроллера машиниста: в положении ЗТ ток достигает 350 А, в положении 2Т - 250 А, в положении 1Т - 100 А.
Скорость поезда продолжает снижаться, ток возбуждения увеличивается и достигает своего максимального значения 250 А при скорости примерно 50...45 км/ч. Рекуперативное торможение становится неэффективным, и схема переключается на реостатное торможение с самовозбуждением: блок САУТ посредством специального реле в схеме управления включает контактор Т и переводит реостатный контроллер на вторую позицию. Включается контактор РК16 и в обход разомкнутого контактора ТП6 присоединяет обмотки возбуждения к якорям.
В режиме торможения с самовозбуждением, когда обмотки двигателей запитываются от собственных якорей, вступает в работу блок БРУ. Он начинает переключать реостатный контроллер до позиции 11. Как и в режиме тяги, из цепи двигателей выводятся пускотормозные резисторы R8...R4, регулирующие тормозной ток. При вращении РК отключаются контакторы OB, KB, ЛК. Блок САУТ также исключается из работы, т.е. разбираются контур независимого возбуждения и контур тока рекуперации.
На позиции 11 при скорости 10...12 км/ч тормозной эффект совсем мал. В тормозные цилиндры автоматически подается порция сжатого воздуха для остановки поезда.
Торможение закончено, штурвал контроллера переводят в нулевое положение. Из тормозных цилиндров выпускается воздух. Реостатные контроллеры возвращаются в исходную первую позицию, схема готова к повторному пуску.
Если торможение прекращается до остановки поезда, тормозная схема всегда начинает разбираться с размыкания контактора Ш. Так, при отключении тормоза на большой скорости (при торможении с независимым возбуждением) на блок САУТ подается соответствующий сигнал. Блок, снижая свою уставку до нуля, исключается из работы и снимает возбуждение с обмоток двигателей. При этом уменьшается ток якорей, и с задержкой по времени отключаются контакторы Л К и ЛКТ.
В случаях прекращения торможения на малой скорости (при торможении с самовозбуждением) вначале также отключается контактор Ш. В цепь якорей вводится резистор R23 (40 Ом), что снижает ток и облегчает дугогашение контакторов Т и ЛКТ.
Как упоминалось ранее, для защиты оборудования от коротких замыканий в режиме электрического торможения в цепи якорей со стороны «земли» включен выключатель защиты торможения (ВЗТ). Он срабатывает при резком возрастании тока в конкретной цепи в случае переброса на «землю». Тем самым разрываются контур заземления и цепь возбуждения тяговых двигателей.
Схема выполнена таким образом, что при рекуперации и реостатном торможении с независимым возбуждением через ВЗТ проходит суммарный ток якорей и ток возбуждения двигателей. Если в этих режимах произойдет короткое замыкание (оно наиболее опасно из-за высоких напряжений на двигателях), сработает выключатель ВЗТ. Часть аварийного тока будет протекать через обмотки встречно току возбуждения. Это приведет к интенсивному размагничиванию двигателей и снижению напряжения на их якорях.
Проследим по схеме путь тока короткого замыкания: якорь неисправного двигателя, место пробоя, «земля», заземляющее устройство ЗУ, обмотки возбуждения, контактор ОВ, тиристор Тт7, датчик возбуждения ДТВ, контакты тормозного переключателя ТП7, индуктивный шунт ИШ, якоря двигателей.
Чтобы направление тока в обмотках изменилось, в момент отключения ВЗТ должен открыться тиристор защиты Тт7, который нормально закрыт. Значительное повышение напряжения на резисторах R30, R31 при отключении ВЗТ приводит к открытию стабилитрона ПП1 и отпиранию тиристора Тt7.
Уставка на отпирание Тт7 должна быть больше максимального напряжения моста Тт1...Тт6. В противном случае возможны ложные отпирания тиристора, закорачивание моста и срабатывание защиты преобразователя (реле защиты РЗП3).
Чтобы облегчить и ускорить разрыв дуги, параллельно контактам ВЗТ установлены защитные резисторы R25 (8 Ом). Они снижают перенапряжения при разрыве силовой цепи.
В режиме торможения с независимым возбуждением в цепь якорей двигателей вводится индуктивный шунт ИШ. Он способствует уменьшению скорости нарастания тока короткого замыкания. В режиме самовозбуждения индуктивный шунт закорачивается контактором 17, так как в цепи якорей появляется собственная индуктивность (обмотки возбуждения).