ЭР7

Широкое применение однофазного тока при электрификации железных дорог потребовало, помимо строительства электровозов, создания моторвагонного подвижного состава для пригородных пассажирских поездов.

Еще в 1954 г. завод Динамо им. С. М. Кирова разработал эскизные проекты электрического оборудования для моторвагонных секций однофазного тока 50 гц в двух вариантах: с игнитронными выпрямителями и тяговыми электродвигателями пульсирующего тока; с коллекторными тяговыми электродвигателями однофазного тока.

Так как из этих вариантов из-за недостаточного опыта и подробных технических данных не было сделано выбора, то технические проекты электрооборудования моторвагонных поездов, разрабатываемые совместно заводом Динамо им. С. М. Кирова и Рижским электромашиностроительным заводом, также были выполнены в двух вариантах.

В январе 1958 г. проекты рассматривались на локомотивной комиссии Научно-технического совета Министерства путей сообщения, которая рекомендовала для постройки опытного моторвагонного поезда принять вариант электрооборудования с игнитронными выпрямителями, включенными по мостовой схеме, и номинальное напряжение на пантографе 25 кВ вместо предлагаемых проектом 20 кВ. К концу года Рижский вагоностроительный и Рижский электромашиностроительный заводы выполнили технический проект десятивагонного электропоезда переменного тока напряжением 25 кВ, состоящего, как и электропоезда ЭР1, из пяти моторных, трех промежуточных прицепных и двух головных прицепных вагонов.

Первоначально конструкторы предполагали для нового электропоезда полностью использовать ходовые части и кузова электропоезда ЭР1, но в процессе проектирования выявилась необходимость значительных изменений некоторых элементов кузова и переработки чертежей тележек. Вызвано это большими размерами и весами такого оборудования, как трансформатор, сглаживающий реактор, которые потребовали усиление рамы кузова и размещения тормозных цилиндров на рамах тележек. Диаметр колес моторных вагонов сохранен таким же, как у электропоездов серии ЭР1 и ЭР2, - 1050 мм.

Так как первые электропоезда переменного тока предназначались для пригородных участков Горьковского железнодорожного узла, где при введении моторвагонной тяги с целью улучшения условий посадки и высадки пассажиров и уменьшения времени стоянок было принято прогрессивное решение о постройке высоких платформ, вагоны запроектированы без подножек.

В июле 1959 г. на Рижском вагоностроительном заводе закончилось изготовление и началось испытание первой двухвагонной секции-моторного и головного вагона-нового электропоезда, которому присвоена серия ЭР7. На крыше моторного вагона поезда ЭР7 установлен главный воздушный выключатель ВОВ-25ЭП, под кузовом-трансформатор ОЦР-1000/25 и в специальных камерах, выделенных за счет уменьшения пассажирского помещения на 22 места, - электрическая аппаратура. Выпрямительная установка состоит из четырех игнитронов ИС-200/5 с воздушным охлаждением. Игнитроны изготовлены Всесоюзным электротехническим институтом, размещены они в кузове вагона. Для моторного вагона заново спроектированы и изготовлены четыре тяговых электродвигателя РТ-51Г. Электродвигатели самовентилирующиеся с четырьмя главными и четырьмя дополнительными полисами рассчитаны на работу пульсирующим током. Как и у моторных вагонов электропоездов ЭР1 и ЭР2, электродвигатели установлены на раме тележки и приводят колесные пары через кулачковую муфту и редуктор с передаточным отношением 23:73 = 1:3, 17.

Трансформатор спроектирован и изготовлен Московским трансформаторным заводом, основная электрическая аппаратура и тяговые электродвигатели - Рижским электромашиностроительным заводом.

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

Опытная секция в январе 1960 г. поступила для испытаний на экспериментальное кольцо ЦНИИ МПС. В результате испытаний установлена возможность выпуска опытного поезда ЭР7 с улучшением отдельных аппаратов, уменьшенным весом вагонов и увеличенным числом мест в моторном вагоне.

В начале 1961 г. был выпущен первый десятивагонный электропоезд переменного тока ЭР7-01. Моторные и головные вагоны этого поезда построены Рижским вагоностроительным заводом, промежуточные прицепные - Калининским вагоностроительным заводом. Электрооборудование изготовлено Рижским машиностроительным заводом (тяговые электродвигатели, аппаратура), Московским трансформаторным заводом (трансформаторы), Всесоюзным электротехническим институтом (игнитронные установки).

При постройке электропоезда заводами учтен опыт создания и испытания первой экспериментальной двухвагонной секции поезда ЭР7, выпущенной Рижским вагоностроительным заводом в 1959 г.; не изменилась конструкция кузовов, тележек, кулачковых муфт и редукторов.

На каждом моторном вагоне под кузовом установлены трансформаторы ОЦР-1000/25, т. е. такие же, как и на первом опытном вагоне. Трансформатор стержневого типа с масляным охлаждением с номинальной мощностью 973 ква. Он имеет 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 и напряжением 600 в и вспомогательную обмотку мощностью также 100 ква и напряжением 220 в. Вес трансформатора с маслом 3800 кг. Выпрямительная установка состоит из четырех игнитронов ИС-200/5 с воздушным охлаждением, включенных по мостовой схеме. Игнитроны рассчитаны на работу с номинальным выпрямленным напряжением 1650 в, максимальное обратное напряжение - 6000 в и средний ток длительного режима - 200 а. Игнитроны охлаждаются индивидуальными вентиляторами, имеющими четыре ступени скорости. Скорость вентиляторов устанавливается автоматически в зависимости от температуры корпуса игнитрона. Игнитроны размещены в шкафах около торцовых наружных стенок тамбура вагона.

На каждом моторном вагоне установлено по четыре тяговых электродвигателя РТ-51В, незначительно отличающихся от электродвигателей РТ-51Г опытного моторного вагона.

Тяговые электродвигатели попарно соединены последовательно; группы электродвигателей между собой соединены параллельно и через общие сглаживающие реакторы присоединены к выпрямительной установке.

Изменение напряжения на зажимах тяговых электродвигателей и степени возбуждения их осуществляется главным контроллером (групповым переключателем) с восемнадцатью контакторами. Он имеет 20 позиций. На 1-й позиции напряжение от одной секции тяговой обмотки через пусковое сопротивление и игнитроны подается на зажимы тяговых электродвигателей, работающих в режиме 60% возбуждения; на 2-й позиции выводится часть пускового сопротивления и усиливается возбуждение до 90%. Эта позиция является маневровой; на 3-й позиции из цепи выводится пусковое сопротивление.

На последующих 4 - 17-й позициях происходит увеличение напряжения за счет последовательного подключения нагрузки к выводам тяговой обмотки, имеющим большее напряжение. На 18-й позиции происходит уменьшение возбуждения до 60% и на 20-й до 45%. Ходовыми позициями являются все четные, так как на них соседние выводы тяговой обмотки не соединяются между собой через делительный реактор.

Контроллер машиниста имеет две рукоятки: реверсивную с положениями: вперед, 0 и назад и главную с положениями 0, 1 и 2. На 1-м положении замыкаются линейные контакторы, а главный контроллер также находится на 1-й позиции: при переводе главной рукоятки контроллера на 2-е положение главный контроллер под контролем реле ускорения начинает переходить на последующие позиции. Остановить этот переход на любой четной позиции можно постановкой главной рукоятки контроллера на 1-е положение. При постановке ее на нулевое положение, не дожидаясь возвращения главного контроллера, цепь тяговых электродвигателей разрывается линейными контакторами.

Часть электрического оборудования моторных вагонов расположена внутри вагона за счет уменьшения пассажирского помещения и сокращения мест для сидения до 98.

Электродвигатели компрессоров (АОС-72-6), вентилятора трансформатора (АОМ-41-4), насоса трансформатора (АОМ-32-2), вентиляции реактора (АОМ-31-2) и других вспомогательных машин питаются трехфазным током напряжением 220 в, получаемым от расщепителя фаз РФ-1А. Этот расщепитель отличается от расщепителя РФ-1, установленного на опытной секции, тем, что он имеет встроенный центробежный вентилятор. Щелочная аккумуляторная батарея НКН-100 с номинальным напряжением 110 в получает питание через селеновый выпрямитель от обмотки трансформатора 220 в. Для поддержания напряжения применен стабилизатор.

Моторные вагоны весят по 61, 4 т, прицепные - по 36, 5 т, головные - по 37, 8 /71. Число мест для сидения в вагонах соответственно 98, 110 и 88.

Электропоезд имеет конструктивную скорость 130 км/ч. Расчетное ускорение до скорости 60 км/ч - 0, 6 м/сек2, замедление при использовании электропневматических тормозов - 0, 8 м/сек2.

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 испытании институт рекомендовал при выпуске последующих электропоездов ЭР7 внести ряд изменений и, в частности, улучшить защиту силового оборудования, систему питания цепей управлений 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 при езде на участке с короткими перегонами.

Параллельно с испытанием электропоезда Рижский электромашиностроительный завод провел стендовые испытания тяговых электродвигателей РТ-51В при работе на пульсирующем токе. Испытания показали, что при коэффициенте пульсации 28% и возбуждении 45% часовая мощность электродвигателя составляет 180 кет, 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 электропоездом направлены для работы в Горький. Первое время у этих электропоездов часто нарушалась фазировка системы управления игнитронами, неудовлетворительно работали сами игнитроны и наблюдались 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 больших работ по применению их 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.

ЦНИИ МПС под руководством доктора техн. наук Б. Н. Тихменева совместно с заводами промышленности в мае 1961 г. завершено переоборудование моторного вагона ранее построенной двухвагонной опытной секции ЭР7 переменного тока с заменой игнитронных выпрямителей кремниевыми. На этой секции было сохранено основное электрическое оборудование: трансформатор, тяговые электродвигатели, главный выключатель, вспомогательные машины, а также схема включения тяговых электродвигателей.

Кремниевый выпрямитель, расположенный под кузовом вагона, выполнен по мостовой схеме. В каждом плече выпрямителя включено три параллельных цепи по двенадцати последовательно включенных вентилей. Всего в плече 36 вентилей. Для равномерного распределения величины обратного напряжения между последовательно включенными вентилями в непроводящий полупериод параллельно вентилям включены активные сопротивления. Связь между вентилями одного потенциала осуществляется также через сопротивления.

Для снятия перенапряжений, возникающих в самих вентилях при коммутации тока параллельно вентилям включены также цепи, состоящие из последовательно включенных сопротивлений и емкостей. Кремниевые вентили рассчитаны на выпрямленный ток 200 а и обратное напряжение 400 а.

На моторном вагоне выполнен так называемый вентильный переход с одной ступени напряжения на другую, что позволило снять делительный реактор. Для этого в группы вентилей, образующие плечи моста, со стороны контакторов главного контроллера, включены вентильные разветвления в каждом плече три параллельно соединенные цепи с последовательно включенными двумя вентилями в каждой. Поэтому общее количество вентилей выпрямительной установки моторного вагона равно 156. Чтобы сохранить количество пусковых позиции, в схему введены контакторы, позволяющие поочередно поднимать напряжение на плечах моста.

Для защиты вентилей от токов короткого замыкания в два плеча моста включены быстродействующие разъединители, разрывающие цепь в непроводящий полупериод. Управление этими разъединителями осуществлено специальной бесконтактной аппаратурой, разработанной ЦНИИ МПС. Количество позиций главного контроллера осталось без изменения (20), но несколько изменена развертка кулачков контакторов, используемых при вентильном переходе.

19 мая 1961 г. первая в Советском Союзе моторвагонная секция ЭР7-01 с полупроводниковым выпрямителем совершила несколько кругов на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС, а затем после некоторых улучшений в июне начала испытываться.

Положительные результаты испытаний моторного вагона ЭР7 с кремниевыми выпрямителями послужили основанием к расширению их применения на моторных вагонах переменного тока. В октябре 1961 г. на Перовском заводе по ремонту электроподвижного состава по схеме ЦНИИ МПС закончилось переоборудование на полупроводниковую выпрямительную установку моторного вагона № 102 из электропоезда ЭР7-01. В 1962-1963 гг. на всех моторных вагонах электропоездов ЭР7 № 1, 3 и 4 игнитронные выпрямители заменены кремниевыми и эти поезда стали обозначаться серией ЭР7к.

Электропоезда ЭР7к после переоборудования продолжали работать на Горьковском железнодорожном узле.

В середине 1964 г. ЦНИИ МПС оборудовал моторный вагон №302 электропоезда ЭР7к-03 кремниевыми вентилями с лавинным пробоем, а затем ими были оборудованы и остальные моторные вагоны этого электропоезда -№ 304, 306, 308 и 402. Лавинные вентили, называемые также стабиловольтными, в отличие от обычных при пробое запирающегося слоя обратным напряжением пропускает ток по всей поверхности перехода. Это позволяет в тысячи раз увеличить рассеивание энергии и сохранить вентили после пробоя работоспособными. В результате можно уменьшить количество вентилей выпрямительной установки. Вместо ранее используемых в выпрямительной установке моторных вагонов 156 вентилей на четырех моторных вагонах оставлено по 84 вентиля, а на вагоне № 304-56 вентилей, На моторных вагонах № 302, 306, 308 в плече каждого моста включено по шесть лавинных вентилей последовательно с тремя параллельными цепями (всего 4х6х3 в плечах и 2х2х3 в разветвлениях). На моторном вагоне № 402 применена комбинированная схема, при которой в каждом плече только одна цепочка выполнена из лавинных вентилей, общее число их составляет 28 (остальные вентили типа ВКД-200). В схеме выпрямителей четырех опытных вагонов сохранены контуры, состоящие из сопротивлений, емкости и сопротивления, связывающие параллельно вентили. На моторном вагоне № 304 этих контуров нет, а связи сделаны глухими перемычками.

Во второй половине 1965 г. опытный электропоезд поступил для эксплуатации на Горьковскую дорогу.