Электропоезда переменного тока ЭР7 и ЭР7К

Широкое использование однофазного тока при электрификации железных дорог потребовало кроме строительства электровозов создания моторвагонного подвижного состава для пригородных перевозок. Еще в 1954 г. на заводе «Динамо» имени С.М. Кирова разработали эскизные проекты электрического оборудования для моторвагонных секций однофазного тока частотой 50 Гц в двух вариантах: с игнитронными выпрямителями и тяговыми двигателями пульсирующего тока, с коллекторными тяговыми двигателями однофазного тока.

Поскольку на данном этапе окончательный выбор не сделали, технический проект электрооборудования, разработанный заводами «Динамо» и Рижским электромашиностроительным, также выполнили в двух вариантах. В январе 1958 г. их рассмотрели на локомотивной комиссии Научно-технического совета МПС. Она рекомендовала взять за основу вариант с игнитронными (ртутными) выпрямителями, включенными по мостовой схеме, повысить напряжение в контактной сети до 25 кВ. К концу того же года Рижские вагоностроительный и электромашиностроительный заводы подготовили проект десятивагонного электропоезда переменного тока, состоящего, как и поезд ЭР1, из пяти моторных, трех промежуточных прицепных и двух головных прицепных вагонов.

Вначале конструкторы предполагали использовать для нового электропоезда ходовые части и кузова электропоезда ЭР1. Однако в процессе проектирования выявилась необходимость значительных изменений некоторых элементов кузова и переработки чертежей тележек. Это было вызвано большими размерами и массой такого оборудования, как трансформатор, сглаживающий реактор: они потребовали усилить раму кузова и разместить тормозные цилиндры на рамах тележек.

Диаметр колес моторных вагонов сохранили таким же, как у электропоездов серий ЭР1 и ЭР2 — 1050 мм.

Так как первые электропоезда переменного тока предназначались для пригородных участков Горьковского узла, где при введении моторвагонной тяги было принято прогрессивное решение о постройке высоких платформ, то вагоны спроектировали без подножек.

В июле 1959 г. на Рижском вагоностроительном заводе закончилось изготовление и началось испытание первой двухвагонной секции — моторного и головного вагонов нового электропоезда, которому присвоили серию ЭР7. На крыше моторного вагона был установлен главный воздушный выключатель ВОВ-25ЭП, под кузовом — трансформатор ОЦР1000/25 и в специальных камерах, выделенных за счет уменьшения пассажирского помещения на 22 места — электрическая аппаратура. Выпрямительная установка состояла из четырех игнитронов ИС-200/5 с воздушным охлаждением. Их изготовили во Всесоюзном электротехническом институте и разместили в кузове вагона. Для моторного вагона были спроектированы и изготовлены четыре тяговых двигателя РТ-51Г: самовентилирующиеся, с четырьмя главными и четырьмя дополнительными полюсами. Они были рассчитаны на работу с пульсирующим током. Как и у моторных вагонов электропоездов ЭР1 и ЭР2, двигатели установили на раме тележки.

Моторный вагон имел массу 60,75 т, из которых 32,2 т приходилось на первую тележку. Головной вагон поезда ЭР7-01 весил 37,9 т. Оба вагона имели 88 мест для сидения.

Опытная секция в январе 1960 г. поступила для испытаний на Экспериментальное кольцо ЦНИИ МПС. В ходе их установили возможность выпуска опытного поезда ЭР7 с улучшением отдельных аппаратов, уменьшенной массой вагонов и увеличенным числом места моторном вагоне. В начале 1961 г. был выпущен первый десятивагонный электропоезд переменного тока ЭР7-01. Его моторные и головные вагоны построены Рижским, промежуточные прицепные — Калининским вагоностроительными заводами. Электрооборудование было изготовлено Рижским электромашиностроительным заводом (тяговые двигатели, аппаратура), Московским трансформаторным заводом (трансформаторы), Всесоюзным электротехническим институтом (игнитронные установки). При постройке электропоезда специалисты заводов учли опыт испытаний первой экспериментальной двухвагонной секции поезда ЭР7: не изменилась конструкция кузовов, тележек, кулачковых муфт и редукторов.

На каждом моторном вагоне под кузовом установили трансформаторы ОЦР-1000/25, т. е. такие же, как и на первом опытном вагоне. Трансформатор был стержневого типа с масляным охлаждением и номинальной мощностью 973 кВА. Он имел четыре обмотки: первичную на 25 кВ, тяговую мощностью 773 кВА с семью промежуточными регулировочными выводами и напряжением между крайними выводами при холостом ходе 2208 В, обмотку отопления мощностью 100 кВА, напряжением 600 В и вспомогательную обмотку мощностью также 100 кВА и напряжением 220 В. Масса трансформатора с маслом составила 3800 кг.

Выпрямительная установка состояла из четырех игнитронов ИС-200/5 с воздушным охлаждением, соединенных по мостовой схеме. Игнитроны были рассчитаны на работу с номинальным выпрямленным напряжением 1650 В, максимальным обратным напряжением 5000 В и средним током длительного режима 200 А.

Ртутные приборы охлаждались индивидуальными вентиляторами, имевшими четыре скорости. Они устанавливались автоматически в зависимости от температуры корпусов игнитронов, размещенных в шкафах около торцовых наружных стен тамбура вагона. На каждом моторном вагоне установили по четыре тяговых двигателя РТ-51В, незначительно отличавшихся от двигателей РТ-51Г опытного моторного вагона. Они были соединены попарно последовательно. Между собой группы объединили параллельно и через общие сглаживающие реакторы подключили к выпрямителям, Напряжение на зажимах двигателей и ступени возбуждения изменяли главным контроллером с восемнадцатью контакторами. Он имел 20 позиций. На позиции 1 напряжение подавалось от одной секций тяговой обмотки на двигатели через пусковой резистор и игнитроны. Тяговые машины работали в режиме 60% возбуждения.

На позиции 2 часть пускового резистора выводилась, и возбуждение усиливалось до 90 % (маневровая позиция). На позиции 3 пусковой резистор выводился полностью. На последующих позициях до 17-й напряжение возрастало за счет последовательного подключения нагрузки к выводам тяговой обмотки с большим напряжением. На позиции 8 возбуждение уменьшалось до 60% и на 20-до 45%. Ходовыми позициями являлись все четные, так как на них соседние выводы тяговой обмотки не были связаны между собой через делительный реактор. Электропоезд имел конструктивную скорость 130 км/ч, расчетное ускорение до скорости 60 км/ч — 0,6м/с², замедление при использовании электропневматических тормозов — 0,8 м/с².

Первый электропоезд ЭР7-01 в апреле-мае 1961 г. совершал рейсы на участке Ожерелье — Павелец, а затем прошел испытания на Экспериментальном кольце ЦНИИ МПС. На основании их результатов институт рекомендовал при выпуске последующих электропоездов внести ряд изменений и, в частности, улучшить защиту силового оборудования, систему питания цепей управления и зарядки аккумуляторной батареи, амортизацию игнитронов, которые при скорости выше 100 км/ч из-за тряски давали частые пропуски зажигания, а также снять ограничение по нагреву обмоток тяговых двигателей приезде на участке с короткими перегонами. Параллельно с испытанием электропоезда Рижский электромашиностроительный завод провел стендовые испытания тяговых двигателей РТ-51В при работе на пульсирующем токе. Испытания показали, что при коэффициенте пульсации 28% и возбуждении 45 % часовая мощность составляет 180 кВт, а длительный ток вместо 207 А равен при этой же степени возбуждения и коэффициенте пульсации 30% — 187 А.

К концу 1961 г. было построено еще три поезда ЭР7, которые вместе с первым направили для работы в Горький. В первое время часто нарушалась фазировка системы управления игнитронами, неудовлетворительно работали сами игнитроны, наблюдались и другие дефекты. По мере освоения обслуживающим персоналом новых электропоездов их работа улучшилась. Большие преимущества кремниевых выпрямителей по сравнению с ртутными выпрямителями послужили основанием для проведения подготовительных работ по их применению на моторных вагонах. В условиях моторвагонной тяги с рассредоточением оборудования вдоль всего поезда такая замена имела даже большее значение, чем на электровозах, где условия обслуживания и режимы работы выпрямительной установки иные.

В ЦНИИ МПС под руководством д-ра техн. наук Б. Н. Тихменева и при участии специалистов заводов в мае 1961 г. было завершено переоборудование моторного вагона ранее построенного состава (двухвагонной опытной секции) ЭР7 с игнитронных выпрямителей на кремниевые. На этой секции было сохранено основное электрическое оборудование — трансформатор, тяговые двигатели, главный выключатель, вспомогательные машины, а также схема включения двигателей. Кремниевый выпрямитель, расположенный под кузовом вагона, имел мостовую схему. В каждое плечо выпрямителя включили три параллельных цепи по двенадцать последовательно соединенных вентилей (всего 36).

Для равномерного распределения величины обратного напряжения между последовательно включенными вентилями в непроводящий полупериод параллельно им установили резисторы с активным сопротивлением. Связь между вентилями одного потенциала осуществлялась также через резистор.

Чтобы снять перенапряжения, возникавшие в самих вентилях при коммутации тока, параллельно им были включены также цепи, состоящие из последовательно расположенных резистора и емкости. Кремниевые вентили были рассчитаны на выпрямленный ток 200 А и обратное напряжение 400В.

На моторном вагоне применили так называемый вентильный переход с одной ступени напряжения на другую, что позволило снять делительный реактор. Для этого в группы вентилей, образующих плечи моста, со стороны контакторов главного контроллера включили вентильные разветвления — в каждом плече три параллельно соединенных цепи с последовательно включенными двумя вентилями в каждой. Поэтому общее число диодов выпрямительной установки моторного вагона равно 156. Чтобы сохранить число пусковых позиций, в схему ввели контакторы, позволившие поочередно поднимать напряжение на плечах моста.

Для защиты вентилей от токов короткого замыкания в два плеча моста ввели быстродействующие разъединители, разрывавшие цепь в непроводящий полупериод. Ими управляла специальная бесконтактная аппаратура, разработанная в ЦНИИ МПС. Число позиций главного контроллера осталось без изменения (20), но несколько изменилась развертка кулачков контакторов, используемых при вентильном переходе.

19 мая 1961 г. первая в Советском Союзе моторвагонная секция ЭР7-01 с полупроводниковым выпрямителем сделала несколько кругов на Экспериментальном кольце ЦНИИ МПС, затем в июне после некоторых улучшений ее начали испытывать. Положительные результаты испытаний моторного вагона ЭР7 с кремниевыми выпрямителями позволили применить их на других моторных вагонах переменного тока. В октябре 1961. г. на Перовском заводе по ремонту электроподвижного состава закончилось переоборудование моторного вагона №102 из электропоезда ЭР7-01 на полупроводниковую выпрямительную установку по схеме ЦНИИ МПС. В 1962—1963 гг. на всех моторных вагонах электропоездов ЭР7 №1, 3 и 4 игнитронные выпрямители были заменены кремниевыми. Впоследствии поезда стали обозначать ЭР7К.

В середине 1964 г. ЦНИИ МПС оборудовал моторный вагон № 302 электропоезда ЭР7К-03 кремниевыми вентилями лавинного типа, а затем и остальные моторные вагоны этого состава — 304, 306, 308 и 302. В отличие от обычных лавинные вентили при пробое запирающего слоя обратным напряжением пропускают ток по всей поверхности перехода. Это позволяет в тысячи раз увеличить рассеивание энергии и сохранить вентили после пробоя работоспособными. В результате стало возможным уменьшить число вентилей выпрямительной установки. Так, вместо ранее использовавшихся 156 вентилей на четырех моторных вагонах оставили по 84 прибора, а на вагоне № 304 - 56 диодов.

На моторных вагонах № 302, 306, 308 в плече каждого моста включили по шесть лавинных вентилей последовательно с тремя параллельными цепями. На моторном вагоне № 302 применили комбинированную схему, при которой в каждом плече только одна цепочка выполнена из лавинных вентилей, общее число их составляет 28 (остальные вентили ВКД-200). В схеме выпрямителей четырех опытных вагонов были сохранены контуры, состоящие из резистора, емкости, связывающих параллельно вентили. На моторном вагоне № 304 этих контуров нет, а связи сделали «глухими» перемычками. Во второй половине 1965 г. опытный электропоезд поступил для эксплуатации на Горьковскую дорогу.