Устройство и эксплуатация электровоза ВЛ80Р - Характеристики и эксплуатационные преимущества ВЛ80^р

2 .    ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ80^р
Электровозы RЛ80^р по сравнению с другими типами электровозов переменного тока обладают большими преимуществами, которые обусловлены более совершенными тягово-энергетическими, тормозными и регулировочными характеристиками, а также применением принципиально нового современного электронного оборудования.
Одним из основных преимуществ является плавное (бесступенчатое) регулирование выпрямленного напряжения во всем диапазоне скорости. Вследствие этого тяговые характеристики (рис. 3) занимают всю область скоростей вплоть до характеристики полного возбуждения. Машинист может выбрать любую из бесчисленного их множества и при этом ехать неограниченное время (все характеристики рассчитаны па продолжительную езду). Это позволяет, с одной стороны, при пуске реализовать большие токи тяговых двигателей, в, следовательно, повысить па 8 -10% среднюю силу тяги, причем без превышения ограничений по сцеплению колес с рельсами. Пусковая диаграмма получается плавной, с максимальным приближением к границе по сцеплению. 

Рис. 3. Тяговые характеристики электровоза ВЛ80^р
В то же время при ступенчатом регулировании, например как на электровозах ВЛ80^т, пусковая диаграмма имеет резкие броски токов и силы тяги при каждом переходе с позиции на позицию, что понижает среднюю силу тяги наполовину броска при переходе (см. штриховую кривую на рис. 3). Кроме того, при ступенчатом регулировании имеется большая вероятность превышения предела по сцеплению и буксования.
Увеличенная пусковая сила тяги обеспечивает либо движение состава повышенного веса, либо более интенсивный разгон состава одинакового веса, что повышает среднюю техническую скорость или снижает расход энергии на тягу.
С другой стороны, плавное регулирование напряжения во время движения позволяет выбрать машинисту точное соответствие между скоростью и требующейся силой тяги, что легко обеспечивает поддержание постоянной скорости или ее изменение согласно поездной ситуации. При этом по сравнению с электровозами, имеющими ступенчатое регулирование и переходные ступени, не предназначенные для продолжительной езды, может быть достигнуто увеличение технической скорости или получена экономия электрической энергии на движение.
С учетом изложенного для электровозов, оборудованных системой плавного регулирования скорости, в Правилах тяговых расчетов предусмотрен увеличенный на 5% коэффициент сцепления во всем диапазоне скоростей, а не только в области разгона до выхода на автоматическую характеристику. Следует отметить, что это минимальное увеличение коэффициента сцепления с некоторым запасом, который может быть реализован при всех условиях сцепления. Фактически реализуемый коэффициент тяги, как показали отечественные и зарубежные исследования, при плавном регулировании может быть увеличен не менее чем на 8—10%.
Увеличенный фактический сцепной вес электровоза ВЛ80^р в ряде случаев также позволяет повысить вес состава.
Бесконтактная, безынерционная электронная система управления электровоза дает в эксплуатации возможность удобного и быстрого изменения режимов движения. Так, переключение до полного напряжения, переход на выбег и повторный выход на последнюю ступень напряжения занимают не более 1—2 с. Это быстродействие особенно необходимо, например, при срабатывании защиты на подъеме, когда опасна растяжка состава, с последующим вызовом резерва. Переходы из режима тяги в режим торможения и обратно занимают около 9 с.
Высокое быстродействие системы управления электровоза ВЛ80^р позволяет наиболее полно использовать «живую силу», т. е. инерцию поезда, особенно на участках с горным и перевалистым профилем, и за счет этого сократить расход электроэнергии на движение по сравнению с электровозами со ступенчатым регулированием скорости на 2—3%. Быстродействию управления способствует конструкция контроллера машиниста со штурвалом, один оборот которого обеспечивает полное регулирование напряжения.
Другим важнейшим преимуществом электровозов ВЛ80^р является электрическое торможение с полной тормозной силой до остановки. При этом в области высоких и средних скоростей движения действует рекуперативное торможение, а в области низких скоростей (ниже 15 км/ч) работает противотоковое торможение, которое не только обеспечивает остановку поезда, но также позволяет удерживать его на уклоне или осаживать состав назад при маневрах или трогании с места.
Тормозные характеристики (рис. 4) так же, как и тяговые, занимают всю область скоростей и обеспечивают интенсивное торможение составов установленного веса, как правило, без применения пневматических тормозов вагонов.

Электрическое торможение на электровозах ВЛ80^р удобно и целесообразно применять не только для поддержания постоянной скорости поезда на уклоне, но и для выполнения ограничений скоростей и остановочного торможения. Этому способствуют быстрота, надежность и простота управления. На высокой скорости в начале торможения происходит автоматический плавный вход в режим рекуперации, после чего машинист, плавно изменяя ток возбуждения, регулирует тормозную силу и либо поддерживает скорость, либо ее снижает, пользуясь одной тормозной рукояткой. В диапазоне средних скоростей движения и до остановки регулирование тормозной силы осуществляется главным штурвалом (при постоянном положении тормозной рукоятки контроллера) в течение одного оборота, как и в тяговом режиме.
Весь процесс торможения протекает плавно, без резких бросков тока и тормозной силы. При случайном срабатывании защиты восстановление режима электрического торможения занимает считанные секунды. Вследствие этих положительных качеств электрический тормоз на электровозе ВЛ80^р удобно использовать и как дополнительный тормоз безопасности.
В процессе поддержания постоянной скорости на уклоне машинисту редко приходится прибегать к корректировке режима с помощью органов управления, поскольку тормозные характеристики имеют большую «жесткость», т. е. при изменении тормозной силы в широких пределах скорость автоматически поддерживается почти постоянной (см. рис. 4).
Большая жесткость рекуперативных характеристик обеспечивает возможность реализации значительно больших коэффициентов сцепления, чем при реостатном торможении (см. штрих-пунктир на рис. 4). Вследствие этого при рекуперации можно давать на 15— 20% большие тормозные силы без опасения возникновения юза.
Кроме того, тормозные силы электровоза ВЛ80^р в области больших и средних скоростей не имеют ограничений по мощности тормозных реостатов, как на электровозе ВЛ80^т, а в области низких скоростей нет падения тормозных сил из-за истощения электрического тормоза. Благодаря этим преимуществам тормозные силы электровоза ВЛ80^р значительно превышают тормозные силы электровоза ВЛ80^т практически во всей области скоростей движения. Вследствие этого в подавляющем большинстве случаев при формировании состава без легковесных вагонов в голове торможение осуществляется без применения пневматического тормоза с поддержанием постоянной скорости в узких пределах (рис. 5). Поэтому на уклонах может поддерживаться более высокая средняя техническая скорость.
Кривые остановочного торможения (рис. 6) показывают, что с помощью электрического торможения можно достаточно эффективно затормаживать полновесные составы без применения пневматических тормозов.

Рис. 5. Экспериментальные кривые движения:
а — разгон; б — торможение (остановочное); в —  подтормаживание на уклоне

Рис. 6. Кривые остановочного торможения:
1 — рекуперативное торможение без времени подготовки; 2 — рекуперативное торможение одиночного электровоза ВЛ80^р; 3 —  то же пневматическое торможение; 4 — рекуперативное торможение состава весом 3600 тс с электровозом ВЛ80^р; 5 — реостатное торможение того же состава в тех же условиях электровозом ВЛ80^т при включении пневматического тормоза состава при скорости 30 км/ч

При рекуперативном торможении электровоз ВЛ80^р вырабатывает электрическую энергию, которая частично потребляется вспомогательными цепями самого рекуперирующего электровоза, частично используется другими электровозами и электропоездами, работающими в тяговом режиме, а частично может передаваться промышленным и бытовым потребителям, если возникает избыточная энергия, которая не полностью используется тяговыми потребителями.
Чем чаще возникает необходимость тормозить состав, тем больше энергии можно вернуть при рекуперации. Поэтому электровозы с рекуперативным торможением наиболее эффективно эксплуатируются на участках, имеющих затяжные крутые уклоны, где возврат энергии может быть стабильным и достигать значительных величин. Так, например, на участках, имеющих уклоны 9—10%0 и общую протяженность 12—15% длины плеча, возврат электроэнергии в эксплуатации может достигать по показаниям счетчиков электровоза в среднем по двум направлениям 12—14%, а возврат по направлению основных уклонов — до 30% электрической энергии, расходуемой на тягу.
Общая экономия электрической энергии электровозом ВЛ80₽ по сравнению с другими типами электровозов складывается из следующих составляющих:
меньшего расхода на тягу (при одинаковом весе состава и одинаковой скорости движения) за счет плавного регулирования напряжения;
возврата электрической энергии при рекуперации;
меньшего расхода энергии на вспомогательные цепи из-за снижения расхода сжатого воздуха на пневматическое торможение и питание вспомогательных цепей рекуперируемой энергией во время торможения.

Рис. 7. Зависимости к. п. д. электровозов ВЛ80^р и ВЛ80г от выпрямленного напряжения в тяговом режиме (а) и от тока (б):
1 — режим тяги: 2 — режим рекуперации без учета потерь о двигателе и зубчатой передаче: 3 — то же с учетом всех потерь
Потери электрической мощности в оборудовании электровоза ВЛ80^р в тяговом режиме практически не отличаются от потерь электровоза ВЛ80г. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) электровозов в режиме тяги (рис. 7, а) практически совпадает. К. п. д. в рекуперативном режиме (рис. 7, б) электровоза ВЛ80^р несколько ниже, чем в тяговом в основном за счет применения балластных резисторов, в которых теряется часть рекуперируемой энергии (10—15%), однако выше, чем у электровозов ВЛ60р (рис. 8).
Коэффициент мощности электровоза ВЛ80^р в тяговом режиме в конце зон (рис. 9, а) на низких и средних скоростях движения выше, чем у электровозов ВЛ80^т, а на высоких скоростях практически совпадает с ним.
В рекуперативном режиме коэффициент мощности сильно зависит от угла запаса 6 (рис. 9, б), т. е. настройки системы управления: чем меньше угол запаса, тем выше значение коэффициента мощности к.
Система бесконтактного тиристорного регулирования и электронная аппаратура позволяют поддерживать минимальный постоянный угол запаса 18—22° эл., что значительно меньше, чем на электровозах ВЛ60р с игнитронными преобразователями (30—35° эл.). В связи с этим энергетические характеристики электровозов ВЛ80^р существенно улучшены (рис. 9, в).
Из экспериментальных зависимостей, приведенных на рис. 10, следует, что при постоянном напряжении контактной сети 25 кВ и часовом токе тяговых двигателей 880 А значения активного тока (прямая 1) практически совпадают. Значения полного тока электровоза BЛ80^р (кривая 3) и электровоза ВЛ80^т (кривая 2) отличаются незначительно. 

Рис. 9. Зависимости коэффициента мощности от выпрямленного напряжения в тяговом режиме (а) и от тока (б и в):
1 — ВЛ80^р; 2 — ВЛ60ну; 3 — ВЛ80^т; 4 — режим тяги; 5 — режим рекуперации при δ=18; 6 — то же при δ=30° эл.; 7 — ВЛ80^р, 3-я зона; 8 — ВЛ60P, 25-я позиция
Максимальное превышение первого над вторым в ограниченной области напряжений достигает всего 6—7%, т. е. в режиме тяги дополнительная загрузка сети при 4-зонном регулировании незначительна.
В режиме рекуперации полный первичный ток электровоза ВЛ80^р (кривая 5) не превышает тока электровоза ВЛ80^т в тяговом режиме (см. кривую 2). Этому способствует то, что часть рекуперированной энергии на электровозе ВЛ80^р идет на питание вспомогательных цепей. В связи с этим уменьшается активный ток (прямая 4), отдаваемый в первичную сеть и, несмотря на некоторое увеличение реактивного тока, полный ток не превышает значений полного тока в тяговом режиме.

Рис. 10. Зависимости первичного тока электровозов ВЛ80^р и ВЛ80^т от среднего выпрямленного напряжения на тяговых двигателях
Благодаря применению высокоэффективного рекуперативного и противотокового торможения электровоз ВЛ80^р позволяет уменьшить износ тормозных колодок вагонов в 8—10 раз по сравнению с электровозом ВЛ80^к, а на горных участках при полновесных составах -- в 2—3 раза по сравнению с электровозом ВЛ80^т. Кроме того, уменьшается износ устройств пневматического торможения, повышается надежность торможения и безопасность движения, особенно в зимних условиях. Полностью исключаются завары тормозных башмаков и простои, вызванные необходимостью их замены в пути следования.
Отсутствие силовых контактов при регулировании скорости, а также большинства контактов в цепях управления повысили надежность работы оборудования электровоза ВЛ80^р в эксплуатации. Запыление и загрязнение контактов (особенно во время пыльных бурь на Северо-Кавказской дороге), а также их оледенение не вызывают на электровозах ВЛ80^р в отличие от других типов электровозов отказов и сбоев работы оборудования.
Отсутствие большинства контактов, трущихся и изнашиваемых деталей облегчает обслуживание и ремонт оборудования: при быстрой и правильной диагностике вышедших из строя элементов электронного оборудования ремонт заключается в смене поврежденного элемента или узла (за исключением восстановления обрывов проводов или нарушения паек монтажа внешнего).
Большинство новых электронных узлов силового и низковольтного оборудования электровоза ВЛ80^р при качественном изготовлении не нуждается в периодическом обслуживании и может работать длительное время без захода электровоза в депо.
Наиболее ответственные узлы оборудования резервированы и надежно защищены от повреждений при возникновении сбоев или отказов в работе. Благодаря совершенным быстродействующим аппаратам защиты и правильно выбранным параметрам оборудования даже наиболее тяжелые случаи коротких замыканий и «опрокидываний» инверторов во время рекуперации не приводят, как показали проведенные испытания, к повреждениям силовых тиристоров, тяговых двигателей и другого оборудования.

Рис. 11. Зависимость удельного расхода и возврата электроэнергии электровозами ВЛ80^р от среднего веса грузовых поездов:
1 и 4 — соответственно расход и возврат в направлении преимущественных подъемов (Батайск—Лихая): 2 — расход в обратном направлении; 3 — возврат на преимущественных уклонах

Многолетняя эксплуатация электровозов ВЛ80^р различных модификаций на Северо-Кавказской, Донецкой, Юго-Восточной и Восточно-Сибирской дорогах, неоднократные их испытания позволили вскрыть и устранить дефекты нового оборудования, усовершенствовать схемы, приобрести опыт их обслуживания и ремонта, создать необходимое вспомогательное оборудование депо.

Локомотивные бригады быстро осваивают управление электровозами ВЛ80^р и обслуживание их. Опыт многолетней эксплуатации крупных партий этих электровозов на Северо-Кавказской и Восточно-Сибирской дорогах показал, что они способны обеспечить надежную перевозку составов с высокими технико-экономическими показателями по расходу электрической энергии. Из зависимостей рис. 11, построенных по результатам статистической обработки показаний электровозных счетчиков, видно, что возврат энергии сильно зависит от профиля пути, участка обращения и веса состава. На рассматриваемом участке возврат достигал от 4% для порожних составов и легкого профиля (преимущественные подъемы) до 25% для тяжелых составов на уклонах до 10°/оо (II тип профиля).
При сравнении расходов электроэнергии различных электровозов следует учесть, что счетчики СО-И442, установленные на электровозах ВЛ80^р, завышают расход на тягу по сравнению с фактическим в среднем на 8,7%, в то время как на электровозах ВЛ80^т счетчики завышают показания только на 6,5%. Таким образом, за счет различных характеристик силовых трансформаторов, фазовых искажений и включения счетчиков на обмотки 220 В образуется мнимая разность расходов электроэнергии в тяговом режиме около 2%.
В настоящее время электровоз ВЛ80^р является самым совершенным отечественным локомотивом, однако он имеет более сложное устройство по сравнению с другими электровозами, и чтобы его правильно и высокоэффективно эксплуатировать, необходимо знать его особенности уметь использовать все преимущества.