Реостатно-контакторная система управления (сокр. РКСУ) — комплекс электромеханического оборудования, предназначенного для регулирования тока в обмотках тяговых электродвигателей (ТЭД) подвижного состава метрополитена, трамвая, троллейбуса и железных дорог, а также в приводах подъемных кранов и прокатных станов.
РКСУ имеет несколько подвидов, которые имеют между собой ряд принципиальных или конструктивных отличий. Переключения могут выполняться как силовым групповым контроллером (ГрК), конструкция которого (развёртка кулачкового вала) жёстко задаёт программу коммутации силовой цепи, так и отдельными (индивидуальными) контакторами, имеющими раздельные приводы. На электропоездах и городском электротранспорте обычно применяются ГрК, хотя бывают и исключения — например, на трамвае Tatra T3 ослабление возбуждения включается индивидуальными контакторами. На электровозах встречаются различные схемы — с одним групповым контроллером (ЧС1 и ЧС3), с двумя контроллерами (одним для перегруппировок и вывода реостата, другим для включения ослабления возбуждения, ЧС2), контроллером для перегруппировок и контакторами для коммутации реостата и сопротивлений ОВ (ЧС2Т, ВЛ10, ВЛ82М и другие), только с контакторами (ЧС7).
Также различают автоматическую или неавтоматическую РКСУ. В неавтоматическом случае моменты коммутации контакторами силовой цепи ТЭД определяются водителем подвижного состава, например, на электровозах или троллейбусе МТБ-82. Автоматическая РКСУ в своей конструкции имеет реле ускорения или иной похожий аппарат, который самостоятельно управляет процессом коммутации, управляя вращением вала главного контроллера, а водитель только определяет, что требуется от транспортного средства — разгон, торможение или движение с постоянной скоростью. Таким образом, в случае автоматической РКСУ он непосредственно воздействует на схему управления серводвигателем и не имеет прямого доступа к управлению высоковольтным коммутационным процессом. Большинство типов отечественного подвижного состава электротранспорта выпускается именно с автоматической РКСУ. В их число входят трамвайные вагоны типов 71-605, 71-608К и 71-608КМ, 71-619К, троллейбусы ЗиУ-682 и БТЗ-5276-04, электропоезда.
Преимущества и недостатки Преимуществами РКСУ перед прочими видами систем управлениями является сравнительная простота устройства и ремонта, а перед непосредственной системой управления (НСУ) — ещё и большая электро- и пожаробезопасность. Электробезопасность повышена вследствие вынесения высоковольтной части за пределы обитаемых помещений транспортных средств, пожаробезопасность — из-за независимости коммутационной последовательности от действий водителя, исключающей перегрев и возгорание пускотормозных реостатов и ТЭД вследствие ошибок водителя. Также к преимуществам относится высокая, по сравнению с НСУ, легкость управления контроллером водителя (контроллером машиниста). Недостатками РКСУ является высокая материалоёмкость, в некоторых случаях сложность электромеханических узлов и нерациональный расход электроэнергии, значительная часть которой уходит на нагрев пускотормозных реостатов без совершения полезной работы.
В качестве примера показана работа реостатно-контакторной системы управления тяговыми двигателями трамвайного вагона 71-605. Аналогичная схема применена на вагонах 71-608К, ЛМ-68М, ЛВС-86. Вагон имеет 4 тяговых двигателя, включенных в две группы по 2 двигателя последовательно в каждой. Двигатели имеют основные сериесные (последовательные) обмотки возбуждения и дополнительные независимые обмотки подмагничивания.
В состав РКСУ входят:
Линейный контактор ЛК1, обеспечивающий подключение тяговых двигателей (ТЭД) к контактной сети (КС); Контактор Ш — обеспечивающий подключение независимых обмоток (НО) ТЭД к КС; Резистор РШ, ограничивающий ток через НО ТЭД; Контакторы Ш1 и Ш2, ответвляющие часть тока или всего тока, питающего НО в обход РШ для регулирования возбуждения при торможении; Пусковые реостаты, вводимые в цепь питания ТЭД при пуске; Контактор Р, включающий питание ТЭД в обход пусковых реостатов; Групповой реостатный контроллер, включающий в себя контакторы РК1 — РК22, обеспечивающий вывод пусковых и тормозных реостатов и ввод реостатов ослабления возбуждения ТЭД; Тормозные реостаты; Реостаты ослабления возбуждения Rосл; Реле ускорения и торможения РУТ; Реле минимального тока РМТ; Контакты реле торможения от батареи ТБ; Линейный контактор ЛК3.
Пуск на маневровой позиции При постановке контроллера водителя на маневровую позицию включается линейный контактор ЛК1 и контактор Ш. Вал реостатного контроллера установлен на первую позицию и не вращается. При этом замкнуты контакты РК6. Ток в цепь питания ТЭД поступает через все пусковые реостаты, включенные последовательно. На маневровой позиции производится движение вагона с минимальной скоростью при маневрировании в депо и проезде стрелок. Длительное движение на этой позиции не допускается, так как может привести к перегреву пусковых реостатов.
Пуск на ходовых позициях Х1 и Х2 Основными рабочими ходовыми позициями контроллера водителя являются Х1 и Х2. Собирается та же цепь, что на маневровой позиции. Начинает работать реостатный контроллер. Вращаясь от 1-й позиции, вал реостатного контроллера размыкает и замыкает контакты РК1-РК8 обеспечивая вывод (снижение полного сопротивления) пусковых реостатов. При этом происходит разгон вагона и ток через обмотки ТЭД начинает падать. За счет вывода реостатов удается поддерживать ток, и соответственно интенсивность разгона, на требуемом уровне. Ток через ТЭД контролируется реле ускорения и торможения (РУТ). Если в процессе разгона ток через ТЭД превышает 100А на позиции Х1 и 140А на позиции Х2 реле срабатывает и разрывает цепь питания серводвигателя реостатного контроллера. Вал реостатного контроллера останавливается в одной из промежуточных позиций. Вагон продолжает разгоняться с неизменным сопротивлением реостатов в цепи ТЭД. Как только в процессе разгона ток падает ниже тока уставки РУТ вал реостатного контроллера вновь начинает вращаться. Таким образом обеспечивается автоматическое регулирование тока в цепи ТЭД.
При достижении валом реостатного контроллера 13-й позиции срабатывает контактор Р и ТЭД подключаются к КС напрямую, минуя реостаты. Происходит выход на автоматическую характеристику. Вал реостатного контроллера поворачивается до 14-й позиции и останавливается. При этом, если рукоятка контроллера водителя установлена в положение Х2, размыкается контактор Ш и независимые обмотки ТЭД отключаются, что обеспечивает меньший уровень возбуждения, и большую скорость вагона по сравнению с позицией Х1.
Пуск на ходовой позиции Х3 Процесс пуска до 14-й позиции реостатного контроллера аналогичен работе на позициях Х1 и Х2, с той лишь разницей, что на позиции контроллера водителя Х3 разгон происходит при токе 180 А. При достижении 14-й позиции вал реостатного контроллера не останавливается, а продолжает движение (под контролем РУТ) до 17-й позиции. На позициях с 15-й по 17-ю ток, протекающий через сериесные обмотки возбуждения уменьшается, за счет его ответвления в реостаты ослабления возбуждения Rосл. При этом достигается еще большая скорость по сравнению с позицией Х2.
Выбег вагона При постановке ручки контроллера водителя в положение 0 в процессе движения вагона, размыкаются контакторы ЛК1 и Ш — ТЭД отключаются от контактной сети. Происходит движение вагона по инерции. В это время вал реостатного контроллера возвращается на первую позицию. Причем вращение происходит в том же направлении, что и при пуске. После возвращения вала реостатного контроллера на первую позицию система готова к повторному пуску или служебному торможению.
Электродинамическое торможение на позициях Т1, Т2, Т3 Позиции Т1, Т2, Т3 контроллера водителя предназначены для регулирования скорости вагона при движении под уклон и служебного снижения скорости до 15 км/ч.
Линейный контактор ЛК1 (если он был включен), размыкается, а тормозные контакторы Т1 и Т2 — замыкаются. Контактор Ш также замыкается. При этом ТЭД начинают работать в режиме генераторов, нагруженных на тормозные реостаты, гася скорость вагона. Возбуждение ТЭД осуществляется от независимых обмоток. Ток через эти обмотки регулируется сопротивлением РШ, которое на позиции Т1 введено полностью, что обеспечивает минимальный ток возбуждения и минимальное замедление. На позиции Т2 часть этого сопротивления замакается контактором Ш1, а на позиции Т3 — все сопротивление замыкается контактором Ш2. Таким образом регулируется замедление вагона. Ток возбужения через часть тормозного реостата проходит и по сериесным обмоткам ТЭД.
Поскольку при торможении ток возбуждения проходит через тормозной реостат вместе с током торможения, ток возбуждения оказывается связан (компаундирован) с током торможения. При малом значении тока торможения падение напряжение на тормозном реостате минимальное — ток возбуждения растет. При увеличении тока торможения падение напряжения на тормозном реостате увеличивается, а поскольку он включен в цепь возбуждения последовательно с обмотками, напряжение, приложенное к последним, падает. Следовательно ток возбуждения также падает, снижая интенсивность торможения. Таким образом обеспечивается автоматическая стабилизация тормозного усилия.
Электродинамическое торможение на позиции Т4 На позиции контроллера водителя Т4 происходит служебное торможение до остановки вагона. Собирается та же цепь, что и при торможении на позиции Т3, но дополнительно в работу вступает реостатный контроллер, который РК9-РК12 одной группы двигателей и РК13-РК16 — другой — уменьшает сопротивление тормозных реостатов, включенных в цепь ТЭД. Этот процесс происходит также под контролем реле ускорения и торможения. Снижение сопротивления тормозных реостатов необходимо потому, что по мере торможения вагона ЭДС в обмотках ТЭД снижается, и для поддержания постоянным значения тока торможения необходимо уменьшение сопротивления нагрузки. При увеличении тока торможения свыше 120А возможен юз колес, и для его предотвращения РМТ отключает серводвигатель реостатного контроллера до тех пор, пока ток не снизится ниже уставки РМТ. Таким образом, РМТ и реостатный контроллер выполняют функцию антиблокировочной системы. Остановка реостатного контроллера происходит на 8-й позиции.
При скорости 4-5 км/ч эффективность электродинамического торможения падает. При этом снижается ток в обмотках ТЭД, и реле минимального тока РМТ включает цепи приводов механических тормозов. Вагон останавливается. Контактор Ш отключается, и ТЭД оказываются полностью обесточенными.
Экстренное торможение на позиции ТР На позиции контроллера водителя ТР или при отпускании педали безопасности происходит экстренное торможение вагона. Собирается та же цепь, что и на позиции Т4. Однако уставка реле ускорения и торможения увеличивается до 180 А, так как для предотвращения проскальзывания при экстренном торможении включаются песочницы, подающие под колеса вагона песок из бункеров. Одновременно включаются рельсовые тормоза. Если реостатный контроллер не успел вернуться на первую позицию, то замыкаются контакторы экстренного торможения КЭ1 и КЭ2, полностью выводящие тормозные реостаты для обеспечения максимальной эффективности торможения.
Электродинамическое торможение с возбуждением от батареи Если в процессе торможения вагона пропадает напряжение в контактной сети или срабатывает защита, происходит автоматическое переключение сериесных обмоток возбуждения на питание от батареи. При этом замыкаются контакты реле ТБ и размыкается линейный контактор ЛК3. В остальном процесс аналогичен штатным режимам торможения.
Также различают автоматическую или неавтоматическую РКСУ. В неавтоматическом случае моменты коммутации контакторами силовой цепи ТЭД определяются водителем подвижного состава, например, на электровозах или троллейбусе МТБ-82. Автоматическая РКСУ в своей конструкции имеет реле ускорения или иной похожий аппарат, который самостоятельно управляет процессом коммутации, управляя вращением вала главного контроллера, а водитель только определяет, что требуется от транспортного средства — разгон, торможение или движение с постоянной скоростью. Таким образом, в случае автоматической РКСУ он непосредственно воздействует на схему управления серводвигателем и не имеет прямого доступа к управлению высоковольтным коммутационным процессом. Большинство типов отечественного подвижного состава электротранспорта выпускается именно с автоматической РКСУ. В их число входят трамвайные вагоны типов 71-605, 71-608К и 71-608КМ, 71-619К, троллейбусы ЗиУ-682 и БТЗ-5276-04, электропоезда.
Преимуществами РКСУ перед прочими видами систем управлениями является сравнительная простота устройства и ремонта, а перед непосредственной системой управления (НСУ) — ещё и большая электро- и пожаробезопасность. Электробезопасность повышена вследствие вынесения высоковольтной части за пределы обитаемых помещений транспортных средств, пожаробезопасность — из-за независимости коммутационной последовательности от действий водителя, исключающей перегрев и возгорание пускотормозных реостатов и ТЭД вследствие ошибок водителя. Также к преимуществам относится высокая, по сравнению с НСУ, легкость управления контроллером водителя (контроллером машиниста). Недостатками РКСУ является высокая материалоёмкость, в некоторых случаях сложность электромеханических узлов и нерациональный расход электроэнергии, значительная часть которой уходит на нагрев пускотормозных реостатов без совершения полезной работы.
В состав РКСУ входят:
Линейный контактор ЛК1, обеспечивающий подключение тяговых двигателей (ТЭД) к контактной сети (КС);
Контактор Ш — обеспечивающий подключение независимых обмоток (НО) ТЭД к КС;
Резистор РШ, ограничивающий ток через НО ТЭД;
Контакторы Ш1 и Ш2, ответвляющие часть тока или всего тока, питающего НО в обход РШ для регулирования возбуждения при торможении;
Пусковые реостаты, вводимые в цепь питания ТЭД при пуске;
Контактор Р, включающий питание ТЭД в обход пусковых реостатов;
Групповой реостатный контроллер, включающий в себя контакторы РК1 — РК22, обеспечивающий вывод пусковых и тормозных реостатов и ввод реостатов ослабления возбуждения ТЭД;
Тормозные реостаты;
Реостаты ослабления возбуждения Rосл;
Реле ускорения и торможения РУТ;
Реле минимального тока РМТ;
Контакты реле торможения от батареи ТБ;
Линейный контактор ЛК3.
При постановке контроллера водителя на маневровую позицию включается линейный контактор ЛК1 и контактор Ш. Вал реостатного контроллера установлен на первую позицию и не вращается. При этом замкнуты контакты РК6. Ток в цепь питания ТЭД поступает через все пусковые реостаты, включенные последовательно. На маневровой позиции производится движение вагона с минимальной скоростью при маневрировании в депо и проезде стрелок. Длительное движение на этой позиции не допускается, так как может привести к перегреву пусковых реостатов.
Основными рабочими ходовыми позициями контроллера водителя являются Х1 и Х2. Собирается та же цепь, что на маневровой позиции. Начинает работать реостатный контроллер. Вращаясь от 1-й позиции, вал реостатного контроллера размыкает и замыкает контакты РК1-РК8 обеспечивая вывод (снижение полного сопротивления) пусковых реостатов. При этом происходит разгон вагона и ток через обмотки ТЭД начинает падать. За счет вывода реостатов удается поддерживать ток, и соответственно интенсивность разгона, на требуемом уровне. Ток через ТЭД контролируется реле ускорения и торможения (РУТ). Если в процессе разгона ток через ТЭД превышает 100А на позиции Х1 и 140А на позиции Х2 реле срабатывает и разрывает цепь питания серводвигателя реостатного контроллера. Вал реостатного контроллера останавливается в одной из промежуточных позиций. Вагон продолжает разгоняться с неизменным сопротивлением реостатов в цепи ТЭД. Как только в процессе разгона ток падает ниже тока уставки РУТ вал реостатного контроллера вновь начинает вращаться. Таким образом обеспечивается автоматическое регулирование тока в цепи ТЭД.
При достижении валом реостатного контроллера 13-й позиции срабатывает контактор Р и ТЭД подключаются к КС напрямую, минуя реостаты. Происходит выход на автоматическую характеристику. Вал реостатного контроллера поворачивается до 14-й позиции и останавливается. При этом, если рукоятка контроллера водителя установлена в положение Х2, размыкается контактор Ш и независимые обмотки ТЭД отключаются, что обеспечивает меньший уровень возбуждения, и большую скорость вагона по сравнению с позицией Х1.
Процесс пуска до 14-й позиции реостатного контроллера аналогичен работе на позициях Х1 и Х2, с той лишь разницей, что на позиции контроллера водителя Х3 разгон происходит при токе 180 А. При достижении 14-й позиции вал реостатного контроллера не останавливается, а продолжает движение (под контролем РУТ) до 17-й позиции. На позициях с 15-й по 17-ю ток, протекающий через сериесные обмотки возбуждения уменьшается, за счет его ответвления в реостаты ослабления возбуждения Rосл. При этом достигается еще большая скорость по сравнению с позицией Х2.
При постановке ручки контроллера водителя в положение 0 в процессе движения вагона, размыкаются контакторы ЛК1 и Ш — ТЭД отключаются от контактной сети. Происходит движение вагона по инерции. В это время вал реостатного контроллера возвращается на первую позицию. Причем вращение происходит в том же направлении, что и при пуске. После возвращения вала реостатного контроллера на первую позицию система готова к повторному пуску или служебному торможению.
Позиции Т1, Т2, Т3 контроллера водителя предназначены для регулирования скорости вагона при движении под уклон и служебного снижения скорости до 15 км/ч.
Линейный контактор ЛК1 (если он был включен), размыкается, а тормозные контакторы Т1 и Т2 — замыкаются. Контактор Ш также замыкается. При этом ТЭД начинают работать в режиме генераторов, нагруженных на тормозные реостаты, гася скорость вагона. Возбуждение ТЭД осуществляется от независимых обмоток. Ток через эти обмотки регулируется сопротивлением РШ, которое на позиции Т1 введено полностью, что обеспечивает минимальный ток возбуждения и минимальное замедление. На позиции Т2 часть этого сопротивления замакается контактором Ш1, а на позиции Т3 — все сопротивление замыкается контактором Ш2. Таким образом регулируется замедление вагона. Ток возбужения через часть тормозного реостата проходит и по сериесным обмоткам ТЭД.
Поскольку при торможении ток возбуждения проходит через тормозной реостат вместе с током торможения, ток возбуждения оказывается связан (компаундирован) с током торможения. При малом значении тока торможения падение напряжение на тормозном реостате минимальное — ток возбуждения растет. При увеличении тока торможения падение напряжения на тормозном реостате увеличивается, а поскольку он включен в цепь возбуждения последовательно с обмотками, напряжение, приложенное к последним, падает. Следовательно ток возбуждения также падает, снижая интенсивность торможения. Таким образом обеспечивается автоматическая стабилизация тормозного усилия.
На позиции контроллера водителя Т4 происходит служебное торможение до остановки вагона. Собирается та же цепь, что и при торможении на позиции Т3, но дополнительно в работу вступает реостатный контроллер, который РК9-РК12 одной группы двигателей и РК13-РК16 — другой — уменьшает сопротивление тормозных реостатов, включенных в цепь ТЭД. Этот процесс происходит также под контролем реле ускорения и торможения. Снижение сопротивления тормозных реостатов необходимо потому, что по мере торможения вагона ЭДС в обмотках ТЭД снижается, и для поддержания постоянным значения тока торможения необходимо уменьшение сопротивления нагрузки. При увеличении тока торможения свыше 120А возможен юз колес, и для его предотвращения РМТ отключает серводвигатель реостатного контроллера до тех пор, пока ток не снизится ниже уставки РМТ. Таким образом, РМТ и реостатный контроллер выполняют функцию антиблокировочной системы. Остановка реостатного контроллера происходит на 8-й позиции.
При скорости 4-5 км/ч эффективность электродинамического торможения падает. При этом снижается ток в обмотках ТЭД, и реле минимального тока РМТ включает цепи приводов механических тормозов. Вагон останавливается. Контактор Ш отключается, и ТЭД оказываются полностью обесточенными.
На позиции контроллера водителя ТР или при отпускании педали безопасности происходит экстренное торможение вагона. Собирается та же цепь, что и на позиции Т4. Однако уставка реле ускорения и торможения увеличивается до 180 А, так как для предотвращения проскальзывания при экстренном торможении включаются песочницы, подающие под колеса вагона песок из бункеров. Одновременно включаются рельсовые тормоза. Если реостатный контроллер не успел вернуться на первую позицию, то замыкаются контакторы экстренного торможения КЭ1 и КЭ2, полностью выводящие тормозные реостаты для обеспечения максимальной эффективности торможения.
Если в процессе торможения вагона пропадает напряжение в контактной сети или срабатывает защита, происходит автоматическое переключение сериесных обмоток возбуждения на питание от батареи. При этом замыкаются контакты реле ТБ и размыкается линейный контактор ЛК3. В остальном процесс аналогичен штатным режимам торможения.