Опытный электровоз ОР22

Поезда - Электровозы СНГ

Еще в 20-х годах многие специалисты, работавшие в области электрификации железных дорог, хорошо понимали, что электрическая тяга на постоянном токе с номинальным напряжением 3000 В не позволит в будущем рационально решить вопрос увеличения провозной способности линий путем повышения весов поездов и скорости их движения. Самые элементарные расчеты показывали, что, например, при ведении поезда массой 10000 т на подъеме 1% со скоростью 50 км/ч тяговый ток электровозов составит более 6000 А. Такой ток требует частого расположения тяговых подстанций, больших сечений проводов контактной сети, ведет к значительным потерям энергии в системе электроснабжения и усложняет получение хорошего токосъема. Недаром высказывалось мнение, что напряжение 3000 В - это плохой компромисс между лучшими вариантами тягового подвижного состава и устройств электроснабжения: для электрического оборудования электровозов и моторных вагонов напряжение 3000 В уже достаточно велико, для устройств электроснабжения - слишком мало.

Сравнение почти двухсот вариантов сочетаний разных систем тока и величины напряжения для конкретных участков железных дорог, проделанное к июню 1932 г. Технической комиссией Научно-исследовательского института электрификации железных дорог НКПС под председательством профессора С.И. Курбатова, позволило сделать вывод о том, что наиболее выгодными являются системы однофазного тока промышленной частоты (50 Гц) и постоянного тока с номинальным напряжением 20 кВ. Так как первая из этих систем проверена в то время на практике была очень мало, а вторая совсем не была проверена, то прежде чем сделать окончательный выбор на перспективу, на первой Всесоюзной конференции по электрификации железных дорог (5-10.06. 1932 г.) было решено соорудить опытный участок, электрифицированный на переменном токе частотой 50 Гц, на котором в условиях нормальной эксплуатации установить достоинства и недостатки различных типов электровозов одновременно с оценкой работы устройств электроснабжения, связи и автоблокировки. До принятия новой системы тока конференция рекомендовала для электрификации железных дорог применять постоянный ток с номинальным напряжением 3 кВ, несмотря на то, что по расчетам экономические показатели этой системы были значительно ниже показателей систем однофазного тока и постоянного тока напряжением 20 кВ; последняя по расчетам оказалась самой экономичной.

При выборе опытного участка в качестве вариантов рассматривались следующие: Москва - Ожерелье, Москва - Савелово и Люберцы - Черусти. Исходя из того, что размеры движения на участке Москва - Савелово в то время были небольшие и линия являлась линией местного значения, в апреле 1933 г. было принято решение об ее электрификации, и началось проектирование устройств электроснабжения и тягового хозяйства.

На участке Москва - Савелово предполагалось провести испытания целого ряда уже известных за рубежом электровозов однофазного тока, а также электровозов с оборудованием, еще не применявшимся на тяговом подвижном составе и находившемся на различных стадиях разработки. Все намеченные для испытаний электровозы однофазного тока предполагалось выполнить с понизительными трансформаторами, причем на электровозе системы венгерского инженера Кандо трансформаторные обмотки должны были располагаться в машинном преобразователе однофазного тока в трехфазный. Пути энергии от вторичных обмоток трансформаторов до колесных пар на разных электровозах значительно отличались друг от друга. Так на электровозах с машинным синхронным расщепителем фаз в качестве тяговых электродвигателей намечалось использовать асинхронные трехфазные машины (электровозы такого типа уже эксплуатировались на участках Норфолк-Западной, Пенсильванской и Вирджинской железных дорог США, электрифицированных на однофазном токе частотой 25 Гц напряжением 1 1 кВ, и были известны как электровозы системы Вестингауза). Электровозы системы Кандо предполагалось выполнить по типу электровозов однофазного тока частотой 50 Гц напряжением 15 кВ, уже работавших на линии Будапешт-Хегисалом. В списках электровозов, планировавшихся для опытного участка, были также электровозы с тяговыми электродвигателями системы Пунга - Шен, имевшими промежуточные свободно вращающиеся на валу роторы (электровозы такой системы в небольшом количестве в то время эксплуатировались на промышленных путях Германии, электрифицированных на однофазном токе частотой 50 Гц напряжением 3 кВ); электровозы с коллекторными тяговыми электродвигателями переменного тока частотой 50 Гц (предполагалось испытать электродвигатели, предложенные академиком К.И. Шенфером и выполненные по схеме инженера О.В. Бенедикта) и электровозы с вентильными (синхронными) тяговыми электродвигателями. Электровозы мотор-генераторного типа (называвшиеся тогда умформерными) с коллекторными тяговыми электродвигателями постоянного тока как не вызывавшие сомнения в своей работоспособности испытывать на участке не предполагалось. В то же время без детальной проработки вопроса намечалось испытание на участке электровозов постоянного тока напряжением 20 кВ. Ионные преобразователи для такого электровоза, предложенные инженером М.М. Ситниковым, тогда разрабатывались в Ленинградском физико-техническом институте Академии наук СССР.

Дальнейшее рассмотрение вопроса о типах электровозов однофазного тока частотой 50 Гц, намеченных для испытаний, привело специалистов завода Динамо к выводу о неперспективности электровозов с машинными преобразователями, а также с тяговыми электродвигателями, имеющими промежуточные роторы. Одновременно более ясно стали представляться преимущества электровозов со статическими преобразователями, и в первую очередь - с тяговыми электродвигателями постоянного тока. При использовании в качестве преобразователя тока ртутного выпрямителя изготовление работоспособного электровоза с минимальными затратами времени и сил стало в ту пору вполне возможным. Поэтому уже в 1934 г. НКПС заключил договор с заводом Динамо на проектирование электровоза однофазно-постоянного тока с ртутным выпрямителем, имеющим сеточное регулирование напряжения. Вопрос об электрификации участка Москва - Савелово для испытаний системы однофазного тока тогда еще стоял на повестке дня, и поэтому предусматривалось, что опытный электровоз однофазно-постоянного тока поступит для работы на этот участок. В дальнейшем для испытаний опытных электровозов однофазного тока было решено использовать расположенное около станции Щербинка Московско-Курской железной дороги экспериментальное кольцо, построенное Институтом реконструкции тяги и переданное в 1935 г. Научно-исследовательскому институту железнодорожного транспорта. Кольцо было электрифицировано с расчетом возможности подачи в контактную сеть как постоянного тока напряжением 3000 В, так и однофазного тока частотой 50 Гц и напряжением 20 кВ.

В проектировании и постройке нового электровоза принимал активное участие тогда еще молодой инженер путен сообщения, будущий доктор технических наук Борис Николаевич Тихменев; на определенном этапе он возглавил эту работу.

В октябре 1938 г. завод Динамо им. С.М. Кирова закончил постройку первого в Советском Союзе электровоза однофазного тока частотой 50 Гц. Локомотив получил обозначение ОР22-01, что означало: однофазный, с ртутными выпрямителями, нагрузка от колесных пар на рельсы 22 тс. Механическую часть электровоза изготовил Коломенский машиностроительный завод им. В.В. Куйбышева.

Кузов локомотива был выполнен без применявшихся в те годы торцевых площадок, что позволило увеличить площадь для размещения электрооборудования. Тележки были сделаны по типу тележек электровозов серии СК; колесные пары (диаметр новых колес 1220 мм) и зубчатая передача (передаточное число 3,74) были такими же, как у электровозов серии ВЛ19. Песочницы, как и на электровозах серии ВЛ19, располагались на рамах тележек.

Однофазный тяговый трансформатор для электровоза спроектировал и изготовил Московский электрозавод (затем стал называться Московский трансформаторный завод). Трансформатор имел сетевую обмотку (на 20 кВ), тяговую обмотку, состоявшую из четырех секций, и обмотку собственных нужд для питания вспомогательных машин и отопления электровоза. Охлаждение трансформатора было масляным, без принудитепьной циркуляции. Последнее, а также отсутствие достаточного опыта проектирования тяговых трансформаторов привели к относительно низкому использованию активных материалов, что сделало трансформатор несколько тяжелым (13 т).

Двенадцатианодный ртутный выпрямитель с сеточным регулированием напряжения был спроектирован и изготовлен Ленинградским заводом Электросила . Выпрямитель охлаждался водой, которая циркулировала под действием насосов через воздушный радиатор; воздух через радиатор прогонялся вентилятором. Ртутный выпрямитель был установлен в кузове электровоза на амортизаторах, что уменьшало расплескивание ртути катода.

Электровоз был оборудован шестью тяговыми электродвигателями ДПЭ-340А электровозов серии ВЛ19. Все электродвигатели соединялись параллельно. Для уменьшения пульсации магнитного потока (пропуска переменной составляющей выпрямленного тока) параллельно обмоткам главных полюсов электродвигателей подключались резисторы. При этом ток возбуждения составлял 90% тока якоря. Частота вращения якоря при напряжении на зажимах электродвигателя 1400 В и токе часового режима 250 А составляла 595 об/мин. Для сглаживания пульсации выпрямленного тока в цепь тяговых электродвигателей был включен сглаживающий реактор. Защита высоковольтной цепи осуществлялась масляным выключателем.

Электрической схемой предусматривалось получение на зажимах тяговых электродвигатлей двух ступеней напряжения с номинальными значениями 750 и 1500 В и плавное изменение (повышение или понижение) напряжения в пределах каждой ступени, т. е. от 0 до 750 В и от 750 до 1500 В; последнее достигалось изменением времени открытия анодов выпрямителя, т. е. времени протекания тока от анода к катоду в каждый полупериод питающего напряжения. Изменение напряжения, подводимого от тяговой обмотки трансформатора к выпрямителю осуществлялось включением в каждую фазу по одной (750 В) или по две (1500 В) последовательно соединенные секции этой обмотки.

При включении выпрямителя на сетках его анодов возникал отрицательный потенциал, создаваемый сеточным генератором. При наложении на отрицательный потенциал управляющих положительных импульсов аноды отпирались, возникала дуга, и проходил силовой ток. Моменты подачи этих импульсов по отношению к полупериодам основного напряжения устанавливались с помощью фазорегулятора, положение которого рукояткой контроллера менял машинист. Сетки выпрямителя использовались также для защиты силовой цепи тяговых электродвигателей от перегрузок и коротких замыканий.

Для привода двух вентиляторов, двух компрессоров и насосов служили трехфазные асинхронные электродвигатели, получавшие питание от обмотки собственных нужд тягового трансформатора через синхронный расщепитель фаз (220 В). Расщепитель фаз приводил во вращение генератор тока управления (50 В), который питал цепи освещения и управления электровоза и заряжал аккумуляторную батарею.

Масса электровоза ОР22-01 в рабочем состоянии составляла 132т, сила тяги часового режима - 19200 кгс при скорости 36,5 км/ч, максимальная скорость - 85 км/ч.

В конце 1938 г. и в 1939 г. электровоз ОР22-01 проходил заводские испытания, на нем устранялись отдельные конструктивные недостатки. В декабре 1939 г. он был отправлен на экспериментальное кольцо Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 19 декабря 1939 г. электровоз самостоятельно прошел под напряжением свои первые километры, совершив несколько кругов по кольцу со скоростью 45 км/ч.

Зимой и летом 1940 г. под руководством инженера В.А. Забродина проходили испытания электровоза на кольце; на локомотиве был произведен ряд усовершенствований электрической части. Испытания показали, что электровоз, благодаря параллельному включению тяговых электродвигателей и плавному сеточному регулированию напряжения, имел более высокие тяговые свойства по сравнению с электровозами постоянного тока. Недостатком нового локомотива было наличие водяного охлаждения выпрямителя, которое создавало дополнительные трудности при эксплуатации. Война помешала продолжить работы над электровозом ОР22-01, и в конце 1941 г. он был разоборудован; ртутный выпрямитель использовали для передвижной тяговой подстанции, тяговые двигатели и колесные пары - как запасные части к электровозам постоянного тока.

Создание электровоза ОР22-01 намного опередило начало электрификации железных дорог на переменном токе и позволило получить достаточно богатый опыт для дальнейших работ в этом направлении. Оно не было, как многие говорили в ту пору, простым переносом преобразователя с тяговой подстанции на электровоз, а явилось рождением локомотива нового типа, обладавшего очень ценными свойствами: постоянным параллельным соединением тяговых электродвигателей с достаточно низким напряжением относительно корпуса, плавным регулированием при пуске, исключающем потери в резисторах, и отсутствием гальванической связи всех электрических машин и многих силовых аппаратов с контактным проводом.