14.1.4 Электровозы.

Электрово́з — неавтономный локомотив, приводимый в движение электродвигателями, установленными в нём и получающими электроэнергию из внешней электросети через тяговые подстанции и контактную сеть или от аккумуляторов, установленных на электровозе.

При классификации электровозов можно выделить следующие признаки

По роду службы — пассажирские (например, ЧС2, ЧС4), грузовые (например, ВЛ10, ВЛ80), маневровые (ВЛ41) и промышленные (например, ЕЛ21, ЭК14). Из последней группы часто выделяют шахтные электровозы, то есть предназначенные для перевозки различных грузов по подземным рельсовым путям.

По роду тока питания. В России на магистральных железных дорогах используются 2 типа: переменного тока — 25 кВ, 50 Гц (например, ВЛ80, ЧС4) и постоянного тока — 3 кВ (например, ВЛ10, ЧС2)[3]. Кроме того, для эксплуатации на участках как постоянного, так и переменного тока выпускаются двухсистемные электровозы (например, ВЛ82, ЭП10), для эксплуатации в карьерах и рудниках выпускаются электровозы постоянного тока с напряжением питания 1500 В, 550 В, 250 В, переменного тока 10 кВ, а также с питанием от аккумуляторов. В других странах мира, в зависимости от принятых стандартов в системе питания электрифицированных железных дорог, применяются электровозы с другими системами питания, например, переменного тока напряжением 15 кВ, 16 2/3 Гц. Если электровоз питается от собственной аккумуляторной батареи, то он называется аккумуляторным.

 Существуют также бесконтактные электровозы (наименее распространены). Вдоль путей прокладывается шина, в которую подаётся ток высокой частоты, а на электровозе устанавливается катушка, в которой он индуцируется.

По типу тягового привода. В России применяется следующая классификация электровозов

Тяговый привод 1-го класса: опорно-осевое подвешивание тягового электродвигателя. Двигатель через моторно-осевые подшипники опирается на ось колёсной пары, за счёт жёсткой связи очень прост редуктор — на оси двигателя и колёсной пары насажены зубчатые колёса, централь между которыми поддерживается моторно-осевыми подшипниками.

Данная конструкция считается устаревшей в связи с большими разрушающими нагрузками на двигатель, но в России до сих пор применяется на грузовых электровозах.

Тяговый привод 2-го класса: опорно-рамный двигатель и опорно-осевой редуктор.

Типичен для пассажирских электровозов. Двигатель в данной схеме обрессорен и соединён с редуктором посредством муфты. Это обеспечивает плавность хода и долговечность двигателя.

Тяговый привод 3-го класса: опорно-рамные двигатель и редуктор. Редуктор связан с колёсной парой муфтой. Из серийных электровозов, построенных в СССР и России, такое подвешивание имеют только пассажирские локомотивы Коломенского завода — электровозы ЭП2К и ЭП200.

По типу передачи вращающего момента с тяговых двигателей на колёсные пары различают электровозы с групповым (например, ВЛ40, ВЛ83) и индивидуальным приводом.

Также важнейшим признаком является тип тяговых электродвигателей:

Коллекторные электродвигатели. Сложны в изготовлении и обслуживании, так как имеют коллектор, фактически — постоянно работающий переключатель со скользящими контактами, но просты в управлении.

Асинхронные двигатели. Двигатель очень прост, легко переносит механические перегрузки, но требует для своего питания трёхфазного переменного тока. Это, в свою очередь, требует либо подвода к электровозу трёхфазного тока, как сделано на некоторых железных дорогах Италии, либо выработки его на локомотиве с помощью машинных преобразователей (устаревшее и нетехнологичное решение, практически нивелирующее преимущества асинхронных двигателей перед коллекторными) или статических преобразователей. Последнее решение как наиболее технологичное применяется на многих современных локомотивах.

По типу и, собственно, наличию электрического торможения — с рекуперативным, реостатным торможением, их сочетанием или вовсе отсутствием электрического тормоза.

По числу секций — одно-, двух- трёх- и четырёхсекционные. Некоторые серии электровозов предусматривают возможность объединения двух, трёх или четырёх секций электровозов для работы по СМЕ^[1].

Электровоз состоит из механической части, электрического и пневматического оборудования. Особенности конструкции определяются его мощностью, максимальной скоростью и другими условиями эксплуатации, для которых проектируется электровоз.

Механическую часть электровоза составляют кузов, тележки, рессорное подвешивание, тормозная рычажная передача.

Тележка включает в себя раму, колёсные пары, тяговые двигатели, буксы и элементы тяговой передачи — редукторы.

Кузов электровоза опирается через опоры на двух- или трёхосные тележки, под каждой секцией электровоза тележек может быть две двух- или трёхосных или три двухосных (ВЛ85, ЭП1). Тележки через систему рессорного подвешивания и буксы опираются на колёсные пары. Тележки оборудуются тормозной рычажной передачей (если тормоза не дисковые) и тормозными цилиндрами.

Электродвигатели, приводящие электровоз в движение, называют тяговыми электродвигателями (ТЭД). Тяговые двигатели могут работать также и в режиме генератора. Это свойство используется для электрического торможения. Если электроэнергия, вырабатываемая при вращении ТЭД, гасится на тормозных реостатах, то это называется реостатным торможением; если электроэнергия возвращается в контактную сеть, то такое торможение называется рекуперативным.

Колёсные пары приводятся во вращение тяговыми двигателями через тяговую передачу[3]. В её состав входят одна или две шестерни, напрессованные на вал тягового двигателя, одно или два зубчатых колеса, напрессованных на колёсную пару (на ось или же на специальный прилив в подступичной части колёсного центра), на некоторых сериях электровозов (например, ЧС2, ЧС4, ЭП1) в тяговую передачу также входит карданный привод. Имеются варианты исполнения тяговой передачи: с односторонним расположением прямозубой тяговой передачи и карданным валом (ЧС4), с односторонним расположением шевронной тяговой передачи и карданным валом (ЭП1), с двусторонним расположением косозубой тяговой передачи (ВЛ80). На всех эксплуатирующихся в России электровозах применяется индивидуальный тяговый привод, при котором каждая колёсная пара вращается своим ТЭД. Характеристики опытного электровоза с групповым (моно-) приводом, построенного в СССР (ВЛ83), оказались хуже характеристик электровозов с индивидуальным приводом, что и обусловило отказ от схемы с моноприводом.

В кузове электровоза размещаются кабины машиниста, коммутационное оборудование, вспомогательные электрические машины, компрессор и пневматическое оборудование. Всё оборудование электровоза, находящееся под напряжением, опасным для жизни человека, размещается в высоковольтной камере (ВВК) или в закрытых шкафах. Для предотвращения доступа человека в ВВК или шкафы предусмотрена система электромагнитных или пневматических блокировок.

В коммутационное оборудование электровоза входят индивидуальные и групповые контакторы, служащие для переключений в силовой цепи электровоза, а также в цепях вспомогательных машин.

Для обеспечения токосъёма с контактной сети используются токоприёмники, устанавливаемые на крыше электровоза.

Регулирование мощности и скорости электровоза производится путём изменения напряжения на якоре и коэффициента возбуждения коллекторного ТЭД или изменением частоты и напряжения питающего тока при асинхронных ТЭД. Регулирование напряжения выполняется несколькими способами. На электровозах постоянного тока — путём переключения групп тяговых двигателей с последовательного соединения (все ТЭД электровоза соединяются последовательно, напряжение на один ТЭД восьмиосного электровоза — 375 В при напряжении в контактной сети 3 кВ) на последовательно-параллельное (2 группы по 4 ТЭД, соединённых последовательно, напряжение на один ТЭД — 750 В), на параллельное (4 группы по 2 ТЭД, соединённых последовательно, напряжение на один ТЭД — 1500 В), при этом для получения промежуточных значений напряжения на ТЭД в цепь включаются группы реостатов, что позволяет получить ступени регулирования в 40—60 В. На электровозах переменного тока — путём переключения выводов вторичной обмотки трансформатора (электровозы ВЛ60, ВЛ80, кроме ВЛ80р), путём переключения выводов первичной обмотки трансформатора (электровозы ЧС4, ЧС4Т, ЧС8), путём плавного регулирования напряжения с помощью ВИП (выпрямительно-инверторного преобразователя) (электровозы ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Электровоз с вагонами соединяется при помощи автосцепного устройства или винтовой упряжью, в зависимости от региона где он эксплуатируется. На электровозах с сочленёнными тележками (ВЛ8) автосцепка размещается на крайних поперечных балках тележек; на электровозах, имеющих несочленённые тележки, автосцепка устанавливается в раме кузова.