Как устроен и работает троллейбус
Жители многих городов настолько привыкли ездить на троллейбусах, что на вряд ли задумываются о том, что пользуются в этот момент экологически чистым и довольно экономичным видом транспорта, чем-то вроде многоместного электромобиля. А между тем, устройство троллейбуса не менее интересно, чем устройство, скажем, трамвая. Давайте же погрузимся в данную тему несколько глубже.
Современный троллейбус имеет довольно сложную электрическую часть. Его система управления базируется на полупроводниках с микропроцессорным управлением, работающих совместно с пневматической подвеской, системой ABS и плотно взаимодействующей со всеми частями сложной электронно-информационной системы. Сюда же относятся возможность автономного хода, система регуляции микроклимата и т. д.
Таким образом, троллейбус сегодняшнего дня — это полноценное городское общественное транспортное средство, отвечающее всем требованиям касательно безопасности, комфортабельности и экономичности.
Эволюция троллейбуса развивалась постепенно, приблизительно так же, как это происходило у автобусов. Нетрудно догадаться, что конструкции кузовов первых троллейбусов и их ходовые части изначально базировались именно на низкопольных автобусах, таких как Богдан-Е231, МАЗ-203Т и другие. Однако троллейбус как таковой появился значительно позже. И такие современные городские машины как Электрон-Т191 и АКСМ-321, например, сразу разрабатывались как троллейбусы. Но преемственность кузова от модели к модели, тем не менее до сих пор прослеживается.
Предок троллейбуса в конце XIX века:
Еще со времен Советского Союза повелось, что на данное транспортное средство от контактной сети через троллеи подается постоянное напряжение 550 вольт. Это стандарт. В таких условиях полностью загруженный троллейбус способен развить на ровной дороге скорость около 60 км/ч.
Его тяговый привод изначально и предназначался для городского движения, поэтому ограничивает максимум скорости значением в 65 км/ч. Но даже на такой скорости транспортное средство способно легко маневрировать в пределах 4,5 метров в ту или иную сторону от контактной линии. Теперь давайте обратим внимание на электрическую составляющую этого замечательного транспортного средства.
Главным силовым агрегатом троллейбуса является тяговый электродвигатель. В классическом варианте он представляет собой двигатель постоянного тока: цилиндрический остов, якорь с щеточно-коллекторным узлом, полюса, подшипниковые щиты и вентилятор.
Большинство тяговых двигателей постоянного тока троллейбусов — двигатели последовательного или смешанного возбуждения. Двигатели с транзисторным или тиристорным управлением работают только с системой последовательного возбуждения.
Так или иначе, тяговые двигатели троллейбусов представляют собой довольно внушительные машины постоянного тока, рассчитанные на мощности порядка 150 кВт, и требующие для нормальной устойчивой работы установки дополнительного тягового преобразователя постоянного тока. Сам двигатель может весить около тонны и потреблять ток около 300 А при рабочем моменте на валу более 800 Н*м (при оборотах вала 1650 об/мин).
Некоторые из моделей современных троллейбусов несут на себе асинхронные тяговые двигатели переменного тока, управляемые специальными тяговыми преобразователями переменного тока. Двигатели подобного рода получаются менее громоздкими, при том более мощными, им не требуется регулярное обслуживание (по сравнению с коллекторными).
Но таким двигателям необходим особый полупроводниковый преобразователь. Сам двигатель может иметь пару датчиков частоты вращения, которые устанавливаются на вал. Большинство асинхронных тяговых двигателей переменного тока питаются напряжением 400 В, имеют короткозамкнутый ротор и трехфазную обмотку статора с классическим соединением «звезда».
Обычно двигатель размещается в задней части кузова троллейбуса. На его приводящем валу имеется фланец, с помощью которого через карданный вал осуществляется механическая передача на ведущий мост через ведущую шестерню.
Корпус двигателя полностью изолирован от кузова, так что попадание высокого напряжения на его проводящие части исключено. Это обеспечивается тем, что фланец изготовлен из изолирующего материала, а крепление двигателя на кронштейнах никогда не обходится без изолирующих втулок.
Современный тяговый двигатель троллейбуса приводится в действие транзисторно-импульсной системой управления на IGBT-транзисторах, которая считается более совершенной чем тиристорная и тем более реостатная схемы.
В системе содержится секция коммутации для подключения диагностического компьютера с целью регулировки и настройки схемы управления двигателем, а также для контроля состояния тягового оборудования в целом. Такая система управления наиболее экономична в плане расхода энергии, к тому же именно она обеспечивает бесконтактный пуск и разгон транспортного средства без лишних потерь энергии, как это было бы в реостатной системе.
В результате именно грамотное управление тяговым двигателем обеспечивает троллейбусу плавный пуск, регулирование скорости без рывков и надежное торможение. Регулируемое импульсное напряжение с током якоря порядка 50 А позволяет троллейбусу плавно тронуться вне зависимости от наличия люфтов в его механических передачах.
Управление скоростью получается бесступенчатым в том числе благодаря возможности ослабления тока обмотки возбуждения когда скорость транспортного средства достигает 25 км/ч. При торможении также используется регулируемый ток — это называется динамическим торможением.
Движение троллейбуса задним ходом имеет ограничение по скорости — не более 25 км/ч. Благодаря электронике, торможение имеет приоритет перед пуском. При необходимости возможно изменение рабочей полярности токоприемников.
Непосредственно транзисторно-импульсная система троллейбуса работает следующим образом. Нажатие на пусковую педаль приводит к срабатыванию датчика Холла, уровень аналогового сигнала от которого прямо связан с текущим углом положения педали.
Данный сигнал преобразуется в цифровой, и уже в цифровой форме подается на микропроцессорный регулятор тягового блока, откуда команды подаются на платы драйверов силовых транзисторов.
Драйвера силовых транзисторов, в свою очередь, регулируют ток силовых транзисторов в зависимости от команд, поступающих с микропроцессорного регулятора тягового блока. Управляющее напряжение драйверов — низковольтное (изменяется в пределах от 4 до 8 вольт) именно его значение и определяет рабочий ток обмоток тягового двигателя.
Как вы уже догадались, силовые транзисторы служат здесь полупроводниковыми контакторами, управляемыми напряжением, только в отличие от обычного контактора, здесь ток может изменяться очень-очень плавно. Поэтому нет надобности в реостатах, достаточно простой технологии ШИМ (широтно-импулсьной модуляции).
Если троллейбусу необходимо затормозить, то двигатель переводится в режим генератора, и торможение по сути обеспечивают магнитные поля якоря, которые также регулируются. Так достигается торможение практически до полной остановки транспортного средства. Кстати, основная часть управляющей транзисторно-импульсной электроники троллейбуса размещена на его крыше.
В процессе торможения современного троллейбуса работает система рекуперации энергии. Это значит, что энергия, вырабатываемая тяговым двигателем в режиме генератора при торможении, возвращается в контактную сеть и может быть повторно использована как для нужд параллельно питающегося от данной сети электротранспорта, так и для питания приборов самого троллейбуса (гидроусилителя руля, системы отопления и т. д.) Если троллейбус проходит под стрелкой, то применяется реостатное торможение.
Практически весь тяговый привод троллейбуса состоит из нескольких частей:
блока управления на IGBT-транзисторах;
контроллера хода и тормоза;
панельного компьютера либо коммутационного блока для соединения с внешним компьютером.
При помощи панельного или внешнего компьютера проводят диагностику тягового двигателя троллейбуса, смотрят параметры его работы, изменяют если нужно настройки микропроцессорного регулятора. Все параметры о работе и текущем состоянии тягового привода хранятся в цифровой форме.
Некоторые модели систем управления следят за токами утечки и имеют соответствующую систему защиты — автоматическое отключение от сети. Опционально здесь же может присутствовать счетчик потребленной на движение и рекуперированной при торможении энергии.
Отдельно стоит упомянуть защитную электронику троллейбуса, которая служит для повышения уровня безопасности пассажиров. Например, троллейбус не двинется с места при открытых пассажирских дверях или при отсутствии воздуха в тормозной системе.
Схема подключения двигателя троллейбуса
ГЛАВА 8
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ С РЕОСТАТНО-КОНТАКТОРНЫМИ СИСТЕМАМИ УПРАВЛЕНИЯ
РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ТРОЛЛЕЙБУСА ЗИУ-682В
Троллейбусы ЗиУ-682В и ЗиУ-682В1 оснащены реостатно-контакторными системами управления. Эти троллейбусы различаются между собой в основном только тяговым электрооборудованием.
На троллейбусе ЗиУ-682В установлен комплект тягового оборудования с электродвигателем ДК-210А-3 номинальной мощностью 110 кВт.
Комплект тягового электрооборудования троллейбуса ЗиУ-682В1 рассчитан на работу с тяговым электродвигателем ДК-211Б номинальной мощностью 150 кВт.
Поэтому силовые схемы и отдельные элементы электрооборудования троллейбусов ЗиУ-682 В и ЗиУ-682 В1 несколько отличаются друг от друга.
Вспомогательное высоковольтное и низковольтное оборудование, а также электрические схемы пуска и торможения практически одинаковы и не отличаются друг от друга.
Электрооборудование троллейбуса ЗИУ-682В включает в себя тяговое электрооборудование и цепи управления. Тяговое электрооборудование данного троллейбуса обеспечивает следующие режимы работы:
• маневровый (М) режим с предпусковой позицией, предназначенный для выбора люфта в трансмиссии и движения со скоростью до 10 км/ч;
• разгон при автоматическом реостатном пуске и движение на первом ходовом положении (XI) контроллера водителя с первой позицией ослабления поля возбуждения тягового электродвигателя. Этому режиму соответствуют позиции 1. 15 группового реостатного контроллера;
• движение на втором ходовом положении (Х2) контроллера водителя со второй позицией ослабления поля возбуждения тягового электродвигателя на позициях 16. 17 группового реостатного контроллера;
• движение на третьем ходовом положении (ХЗ) контроллера водителя с полным ослаблением поля возбуждения тягового электродвигателя на 18-й позиции группового реостатного контроллера;
• электродинамическое торможение (Tl, Т2) с регулируемым замедлением;
• реверсирование (изменение направления движения).
На рис. 8.1 представлена принципиальная схема высоковольтных цепей троллейбуса ЗиУ-682В.
Выбор режима движения осуществляется с помощью контроллера водителя, связанного рычагами и тягами с педалями хода и торможения.
Выбор маневрового и ходового режимов осуществляется с помощью педали хода, причем каждому режиму соответствует определенное положение педали.
Это позволяет водителю регулировать скорость движения троллейбуса в зависимости от условий движения.
Выбор тормозного режима осуществляется тормозной педалью.
Поворот вала группового реостатного контроллера до любой фиксированной позиции осуществляется под контролем реле ускорения-торможения.
Кроме того, изменение направления движения городского троллейбуса осуществляется переводом съемной рукоятки вала реверсивного барабана контроллера водителя в положение «Вперед» или «Назад».
Принципиальная схема цепей управления троллейбуса ЗиУ-682В приведена на рис. 8.2.
Рис. 8.1. Принципиальная электрическая схема высоковольтных цепей троллейбуса ЗиУ-682В:
ТД — электродвигатель тяговый; ЯП, Я21 — обмотка якоря; СП, C2I — обмотка возбуждения сериесная; LLI11, Ш21 — обмотка шунтовая; ДВ — электродвигатель вспомогательный (привод генератора); ДК — электродвигатель компрессора; Tl, Т2 — токоприемники; PPI, РР2 — реакторы помехоподавления; АВ — выключатель автоматический; ПП1. ПП5 — предохранители; Ш1, Ш2, ШЗ, КДК, JIKl, J1K2, Л КЗ, Р, Т, К.П1 — контакторы; PHI, РН2 — реле напряжения; РТ — реле максимального тока; РМТ — реле минимального тока; РУ1 — реле ускорения; ДСЗ — резистор добавочный; РК.1. РКП — кулачковые элементы группового реостатного контроллера; HI, Н2, В1, В2 — кулачковые элементы контроллера управления (водителя); Р1. Р10, Р19, Р20 — пускотормозные резисторы; Р13. Р16 — шунтовые резисторы; ВВЦ1. ВВЦ4 — выключатели вспомогательных цепей; ШС1 — шунт для амперметра; А1 — амперметр; Г14 — печь кабины водителя; ЛH — лампа неоновая; ПС — печь для отопления пассажирского салона
Рис. 8.2. Принципиальная электрическая схема цепи управления троллейбуса ЗиУ-682В:
КВМ-1, КВМ-3, КВ1, К.В2, КВЗ — кулачкоиые элементы контроллера водителя; ЛК1, ЛК2, Л КЗ — катушки, контакты и блок-контакты линейных контакторов; РВ, РВ1 — катушки и контакты реле времени; ТК.0, ТК1, ТК2 — контакты кулачковых элементов тормозного контроллера; Т — катушка и контакты тормозного контактора; РТ — катушка и контакты токового реле перегрузки; PH — контакты реле напряжения; РК, РКМ, РКП — кулачковые элементы группового реостатного контроллера; LU1, LLI2, ШЗ — катушки шунтовых контакторов; РУ2, РУЗ — ка!ушки реле ускорения; РУ — контакты реле ускорения; РМТ — реле минимального тока; «Вперед», «Назад» — обмотки возбуждения серводвигателя; СД — якорь серводвигателя; Л41, Л42, Л43 — сигнальные лампы фиксированных позиций контроллера водителя; Л44 — сигнальная лампа аварийного давления в пневмосистеме; Л45, Л46 — лампы стоп-сигналов; ММ — контакт включения Л44; СР — стоп-реле; АК — автоматический выключатель двигателя компрессора; ВУК — ручной выключатель двигателя компрессора; ЗОТ — звонок отрыва токоприемника от контактной сети; ВУ2 — выключатель звонка ЗОТ; С1 и RI — помехоподавляюшая цепочка; Пр2 — плавкий предохранитель; ВУ1 — выключатель; КДК — контактор включения двигателя компрессора;
R1 — резистор; ПС1, ПС2 — печи для отопления пассажирского салона