Системы электроснабжения и электрооборудования вагонов

                Системы электроснабжения и электрооборудования вагонов

Системы электроснабжения. Применяемые в строящихся и эксплуатируемых цельнометаллических пассажирских вагонах системы можно разделить на три вида: индивидуальное электроснабжение с оборудованием каждого вагона автономной электростанцией, подающей питание только собственным потребителям электроэнергии; централизованное электроснабжение с подачей питания во все вагоны поезда от одного источника электроэнергии; смешанное электроснабжение, представляющее собой совокупность первых двух видов, каждый из которых использован для питания определенной части потребителей электроэнергии вагона. 
 
Система индивидуального электроснабжения характеризуется наличием в вагоне электростанции. Генератор, помещенный под вагоном, приводится во вращение при движении поезда от оси колесной пары (такая система ранее называлась осевой). Для привода раньше применяли ременную передачу с насаженным на среднюю часть оси разъемным шкивом, что имело известные недостатки. Последующие многочисленные испытания различных конструкций показали, что наиболее приемлем клиноременный привод от торца оси колесной пары с промежуточным редуктором и карданным валом. Таким приводом оборудуют все выпускаемые в настоящее время пассажирские вагоны без кондиционирования воздуха. 
 
Аккумуляторную батарею располагают под вагоном. Она призвана обеспечивать электроэнергией потребителей вагона при небольшой скорости движения и на стоянках поезда. При определенной скорости движения аккумуляторная батарея заряжается от генератора. Наличие аккумуляторной батареи налагает необходимость использования постоянного тока для основных потребителей энергии. Для управления работой электростанции и распределения электроэнергии служит распределительный щит, устанавливаемый в служебном отделении вагона. На щите размещены коммутационные, защитные и другие аппараты, обеспечивающие снабжение электроэнергией потребителей. 
 
В последнее время широко применяют индивидуальную систему электроснабжения пассажирских вагонов выпрямленным переменным током. В этой системе применен генератор переменного тока с выпрямителями. Поскольку люминесцентные лампы, аппаратура радиоузла и другие потребители требуют наличия переменного тока со стабильной частотой, в системе электроснабжения предусматривают специальные вращающие преобразователи, которые преобразуют постоянный ток напряжением 50 В в переменный требуемого напряжения и частоты. 
 
Вагоны, снабженные холодильными установками, потребляют значительно больше электроэнергии, чем вагоны с обычной принудительной системой вентиляции, в связи с использованием дополнительных электроприемников (двигателей компрессора, осевых вентиляторов и заслонок, аппаратуры автоматики, электрокалорифера и др.). Это вынуждает намного увеличить мощность генератора и осуществлять съем мощности со средней части оси.                                                         В целом система индивидуального электроснабжения имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществам относится удобство эксплуатации, связанное с автономностью вагонов, так как такая система не зависит от внешних источников питания. К недостаткам относятся сложность размещения и обслуживания такой системы в современных вагонах, оборудованных электрическим отоплением, установками кондиционирования воздуха и многочисленными электроприборами для технических и бытовых нужд. 
 
Централизованные системы электроснабжения являются перспективными, так как экономически эффективны и позволяют применять в вагонах технически совершенное электрическое отопление, воздухонагревательные агрегаты и другие приборы, повышающие комфортные условия проезда пассажиров. На железных дорогах СССР применяется система электроснабжения от вагона-электростанции, который подает питание во все вагоны состава. Вагоны-электростанции имеют дизель-генераторные установки мощностью 600 кВт, вырабатывающие трехфазный переменный ток напряжением 400 В с частотой 50 Гц. Эта система, используемая для питания электроэнергией пассажирских вагонов, оборудованных установками кондиционирования воздуха, а также вагонов скоростных поездов РТ-200, отличается надежностью, простотой электрического оборудования, непрерывностью электроснабжения, а также расположением сложного энергетического оборудования в специальном вагоне, что значительно облегчает его обслуживание. 
 
Перспективна также система централизованного электроснабжения от контактной сети через локомотив. Такая система позволит использовать дешевую энергию на электрофицированных участках железных дорог, количество и протяженность которых из года в год возрастают. Однако технические трудности, связанных с использованием тока высокого напряжения для питания потребителей, в настоящее время полностью не преодолены. Поэтому такая система электроснабжения ограниченно используется в пассажирских вагонах, в частности для электрического отопления, поскольку электропечи, включенные последовательно, могут работать как на постоянном, так и на переменном токе даже при значительных отклонениях напряжения от номинального. Основными препятствиями широкому внедрению этой системы являются отсутствие надежной и пригодной для серийного производства конструкции преобразователя постоянного тока напряжением 3000 В в трехфазной ток напряжением 380 В с частотой 50 Гц и сложность исключения неблагоприятного влияния системы на линии СЦБ. Остальные потребители при такой системе электроснабжения получают питание через статические преобразователи, установленные в каждом вагоне. 
Одним из прогрессивных технических решений является централизованное электроснабжение пассажирских поездов от располагаемых на локомотивах энергетических и преобразующих устройств, обеспечивающих на выходе трехфазный переменный ток напряжением 380/220 В со стабилизированными напряжением и частотой. Все потребители вагона (включая и отопление) трехфазные и рассчитаны на это напряжение. Такая система электроснабжения имеет наивысшие технико-экономические показатели. 
                               Электрическое оборудование вагона 
Электрическое оборудование вагона. Пассажирские вагоны оборудованы специализированными устройствами, образующими комплексы источников питания и потребителей энергии, автоматического управления, регулирования и защиты, выполненными применительно к вагонам того или иного типа согласно предъявляемым к ним требованиям. Характерной системой индивидуального электроснабжения является электрическое оборудование, примененное в пассажирских вагонах открытого типа со спальными местами производства КВЗ. Эти вагоны оборудованы системой электроснабжения ЭВ10-02-20, блок-схема которой (рис. 126) предусматривает питание всех потребителей вагона; автоматическое регулирование напряжения цепей потребителей при движении поезда; автоматическую работу вентиляционного агрегата в зависимости от температуры в вентиляционном канале; ручное регулирование заряда аккумуляторной батареи (малая, средняя и полная ступени); питание от смежного вагона или подачу питания смежному вагону через подвагонную магистраль; 
защиту электрооборудования от коротких замыканий, длительных перегрузок по току и недопустимых превышений напряжений. Длительная эксплуатационная мощность системы при движении поезда 8,0 кВт. 
 
Потребители вагона получают питание от параллельно работающих подвагонного синхронного генератора переменного тока 2ГВ-003-12 с выпрямителями и аккумуляторной батареи. Генератор, установленный на тележке, приводится во вращение через текстропно-карданный привод. Генератор имеет две обмотки: основную трехфазную и дополнительную однофазную с выводом средней точки. Первая подключена к основной группе кремниевых выпрямителей и обеспечивает питание потребителей вагона, а вторая — через магнитный усилитель к дополнительной группе кремниевых выпрямителей. Обе группы выпрямителей соединены последовательно и в сумме дают напряжение, необходимое для заряда аккумуляторной батареи. На соответствующие зажимы выведена дополнительная обмотка, предназначенная для облегчения автоматического регулирования напряжения генератора при малых нагрузках и высоких скоростях движения поезда. На стоянках и при малых скоростях движения все потребители получают питание от аккумуляторной батареи. 
 
Выпрямитель, предназначенный для преобразования переменного трехфазного тока в постоянный, размещен в металлическом кожухе под вагоном. На изоляционной панели выпрямителя укреплены шесть вентилей, соединенных по трехфазной мостовой схеме. Выпрямитель соединен с аккумуляторной батареей, и его токоведущие детали, в том числе и радиаторы вентилей, на стоянках поезда, когда генератор не работает, находятся под напряжением 50 В. 
Аккумуляторная батарея 38-ТЖН-250 имеет 38 железоникелевых аккумуляторов емкостью 250 А-ч. Номинальное напряжение аккумулятора 1,25 В, а максимальное и минимальное зарядные напряжения равны соответственно 1,8 и 1,0 В. В системе предусмотрены регуляторы напряжения, используемые при нагрузках и заряде аккумуляторной батареи.                                                                                 Выпрямленное напряжение генератора поддерживается в пределах 47—53 В изменением тока в обмотке возбуждения при колебаниях нагрузки от нулевой до максимальной и изменении скорости движения поезда. Ток возбуждения необходимой величины поддерживается системой регулирования, состоящей из измерительного, усилительного, исполнительного и стабилизирующего устройств. Питание нагрузок с батареи на генератор и обратно переводится переключающим устройством, состоящим из фильтра верхних частот, выпрямителя и реле. 
 
Система обеспечивает защиту от недопустимого повышения напряжения на зажимах нагрузки, осуществляемую реле максимального напряжения и исполнительным реле. Защиту от увеличения амплитудного значения напряжения генератора при переключениях контактором нагрузок с батареи на генератор и обратно, а также при сбросах нагрузки в наиболее тяжелых режимах при сгоревших предохранителях батареи осуществляет шунтирующий вентиль. Предусмотрено ручное отключение источников напряжения от сети на случай аварийной ситуации. 
 
Потребители энергии (лампы освещения, электронагревательные приборы и вспомогательные электродвигатели, за исключением преобразователей для включения электробритв) подключены к сети, напряжение которой (47—53 В) при движении поезда поддерживается регулятором; на стоянке напряжение определяется состоянием аккумуляторной батареи. Включают потребители вручную — пакетными переключателями. Вентилятор можно перевести в автоматический режим работы. Мощность, отдаваемая или получаемая от смежных вагонов, составляет 1,2 кВт. Для ограничения мощности, отдаваемой в магистраль, имеется автомат. Предусмотрено автоматическое отключение на стоянке части потребителей при помощи реле. 
 
Освещение вагона осуществлено люминесцентными лампами (пассажирские помещения) и лампами накаливания (бытовые и подсобные помещения). Сеть освещения вагона состоит из нескольких групп (в рассматриваемом вагоне их восемь) светильников. Для люминесцентного освещения предусмотрен специальный преобразователь постоянного тока напряжением 50 В в переменный ток напряжением 220 В и частотой 400 Гц. Преобразователь состоит из электродвигателя постоянного тока, приводящего в движение генератор повышенной частоты, а также пускорегулирую-щей аппаратуры (стабилизатора частоты вращения и пускателя). 
Аппараты системы электроснабжения и управления размещены на специальном пульте, установленном в служебном помещении вагона. На лицевой стороне пульта имеются верхние двери — панели, на которых установлены измерительные приборы, сигнальные лампы, выключатели, переключатели, кнопки и малогабаритные плавкие предохранители. Аппараты размещены по функциональному назначению: на правой двери — аппараты защиты и контроля источников электроснабжения, на левой — аппараты включения потребителей. Пакетные переключатели и автоматы смонтированы на отдельной средней панели, которую можно откидывать для доступа к контактным зажимам. Внутри пульта смонтирована коммутационная аппаратура, а также аппаратура регулирования и защиты.

Значительная часть пассажирских вагонов, снабженных установками кондиционирования воздуха, имеет индивидуальную систему электроснабжения от подвагонного генератора с приводом от оси колесной пары. Например, купейные вагоны со спальными мягкими местами производства ЛВЗ с установками кондиционирования воздуха оборудованы системой электроснабжения, имеющей следующие параметры: мощность на выходе выпрямителя в продолжительном режиме при движении поезда 26 кВт, а на стоянке 20 кВт; напряжение на выходе выпрямителя 132—150 В; скорость движения поезда, при которой генератор отдает номинальную мощность в продолжительном режиме, равна 12—44 м/с (48—160 км/ч). Электрооборудование этой системы обеспечивает: начало приема нагрузки, начиная с частоты вращения ротора генератора, равной 550 об/мин; заряд разряженной и подзаряд заряженной аккумуляторной батареи, а также ограничение тока при заряде разряженной аккумуляторной батареи до 90 А; автоматическую работу по сигналам термодатчиков электроагрегатов холодильной установки К.Ж-25П, электрокалорифера, циркуляционного насоса и сдвоенного вентилятора; питание, коммутацию и защиту цепей стабилизированного напряжения 110 В, цепей сигнализации постоянного тока напряжением 50 В, преобразователя для люминесцентного освещения, трех электронагревателей баков горячего водоснабжения установленной мощностью 3,2 кВт, электрокипятильника мощностью 2,2 кВт, пылесоса мощностью 600 Вт, водоохладителя мощностью 500 Вт, насоса для перекачки воды мощностью 90 Вт и электронагревателя сливной трубы; защиту потребителей от токов короткого замыкания, длительных перегрузок по току, недопустимого повышения среднего значения напряжений и перенапряжений в случае аварийного режима. 
 
Основным источником питания электроэнергией вагона является агрегат AMI, состоящий из трехфазного генератора переменного тока и асинхронного электродвигателя. При движении поезда генератор приводится во вращение от оси колесной пары вагона через редуктор и карданную передачу, а на длительной стоянке — от асинхронного электродвигателя, который через штепсельное соединение получает питание от внешней стационарной сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Электропотребители вагона получают питание от генератора через выпрямитель, который собран на кремниевых вентилях В2-200 по трехфазной мостовой схеме. Для питания потребителей на стоянках в пути следования, а также при замедленном движении поезда, установлена аккумуляторная батарея, которая включена параллельно с генератором через выпрямитель и работает в режиме постоянного подзаряда. 
 
Компрессионная установка получает питание от генератора или батареи. Для включения цепей электродвигателей компрессионной установки, циркуляционного насоса и вентиляционного агрегата предусмотрены соответствующие контакторы, а для регулирования частоты их вращения — резисторы. Основные цепи освещения вагона (люминесцентные лампы) получают питание от машинного преобразователя, а служебные и аварийные цепи (лампы накаливания) от генератора или батарей через стабилизатор с выходом напряжения 110 В постоянного тока. 
 
От системы электроснабжения получают также питание вспомогательные потребители (электрокипятильник, водоохладитель питьевой воды, розетки пылесоса и электроплитки, электродвигатель насоса). Цепи контроля нагрева букс, вызова проводника, цепи противогазного устройства и сигнализации окончания налива воды получают питание напряжением 50 В, а цепи контроля системы отопления — питание напряжением 24 В. Цепи управления работой холодильной установки и электрокалорифера выполнены на напряжение 110 В, а вентилятора — на 132—150 В. 

Рис. 126. Схема системы индивидуального электроснабжения: 
1 — ведущий шкив; 2 — ось колесной пары; 3 — клиновые ремни; 4 — редуктор; 5 — ведомый шкив; 6 — карданный вал; 7 — якорь; 8 — генератор; 9 — дополнительная обмотка генератора; 10, 12 и 17 — выпрямители; 11 — основная обмотка генератора; 13 — переключающее устройство; 14 — аккумуляторная батарея; 15 — потребители электроэнергии; 16 — регулятор напряжения; 18 — шунтирующая обмотка

Система электроснабжения имеет соответствующие контрольно-измерительные аппараты и аппараты сигнализации и защиты. Предусмотрена возможность аварийного отключения источников питания и цепей всех потребителей вагона (за исключением аварийного освещения, концевых сигнальных фонарей и цепей контроля нагрева букс). 
 
Анализируя системы индивидуального электроснабжения, можно заметить, что в первом случае, когда вагоны не снабжены холодильными установками и потребляемая мощность мала, система достаточно рациональна. Однако во втором случае, когда необходимая мощность значительна, подобная система громоздка, дорога и недостаточна для питания всех потребителей на стоянке. 
 
На стоянках поезда потребители электроэнергии получают питание от аккумуляторной батареи. Это вынуждает применять электродвигатели постоянного тока и тем самым не позволяет использовать надежные в работе холодильные установки с бес-сальниковыми компрессорами со встроенными асинхронными двигателями. Чтобы привести в действие все генераторы поезда, вагоны которого оснащены установками кондиционирования воздуха, необходимо затратить примерно 15—20% мощности локомотива. При этой системе электроснабжения исключено применение электрического отопления. 
 
Получение электроэнергии для одновременного питания установок кондиционирования воздуха, электрического отопления н бытовых приборов как во время движения, так и на стоянках поезда становится возможным лишь при системе централизо-ганного электроснабжения вагонов. Одной из хорошо отработанных для практической эксплуатации систем является система централизованного питания электроэнергией состава пассажирского поезда из 15 вагонов, оборудованных электрическим отоплением и установками кондиционирования воздуха, от вагона-электростанции постройки КВЗ. 
 
В машинном отделении вагона-электростанции установлены три дизель-генераторные установки АДВЭ-200-Т/400-2А (У42В) номинальной мощностью по 200 кВт. Каждая установка состоит из двенадцатицилиндрового V-образного четырехтактного дизеля и трехфазного синхронного генератора ГСФ-200 (номинальное напряжение 400 В), соединенных при помощи муфты и смонтированных на одной раме. Дизель-генераторные установки имеют раздельные системы охлаждения и смазки, которые обеспечивают их нормальную работу при температуре наружного воздуха — 40~+40°С. Топливо находится в одном баке (в вагоне) емкостью 425 лив двух баках (под вагоном) общей емкостью 7000 л. Для пуска дизелей предусмотрен стартер, получающий питание от подзаряжаемой генератором аккумуляторной батареи. Электрическая аппаратура, предназначенная для обслуживания дизель-генераторов, их защиты, регулирования напряжения и частоты вращения, смонтирована на щите, установленном в отделении управления. Для подключения к магистрали поезда в вагоне-электростанции имеются междувагонные соединения ШУ/РУ-205В. 
 
Все вагоны (потребители) соединяют в последовательную электрическую цепь, в которой использованы контакты безопасности, встроенные в штепселн, розетки и холостые приемники (на торце вагона-электростанции и крайнего вагона состава). Потребители собственных нужд электростанции выполнены на номинальные напряжения 400/230 В трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и работают в автоматическом режиме. Для исключения утечки тока через кузов вагона на рельсовый путь и предупреждения ложного срабатывания устройств СЦВ и связи между поездной магистралью и шинами вагона включен разделительный трансформатор. 
 
Вагон оборудован электрической системой отопления, состоящей нз трех групп электропечей и двухсекционного электрокалорифера общей мощностью соответственно 19,85 и 18 кВт. В вагоне предусмотрены три цепи освещения: основная (люминесцентные лампы) переменного тока напряжением 220 В; служебная и аварийная (лампы накаливания) переменного или постоянного тока напряжением 50 В. Цепи контроля системы отопления питаются переменным током напряжением 48 В, а цепи управления установкой кондиционирования воздуха — переменным током напряжением 220 В.