Электрические аппараты и цепи подвижного состава

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Серия основана в 2001 году

А.С. МАЗНЕВ
О.И. ШАТНЕВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
АППАРАТЫ И ЦЕПИ 
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано

Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для учебных заведений, реализующих программу 
среднего профессионального образования 
по специальности 23.02.06 «Техническая эксплуатация 
подвижного состава железных дорог» 
(протокол № 1 от 20.01.2020)

Эл е к т р о н н о

znanium.com

Москва

ИНФРА-М

2020

УДК 629.4(075.32) 
ББК 39.12я723

М13

Р е ц е н з е н т ы :

Ширяев А.В., кандидат технических наук, доцент, директор Санкт- 
Петербургского техникума железнодорожного транспорта — структурного подразделения Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I;

Аршинов Е.А., преподаватель специальных дисциплин Московского колледжа железнодорожного транспорта — структурного подразделения Российского университета транспорта (МИИТ)

Мазнев А.С.

М13 
Электрические аппараты и цепи подвижного состава : учебное пособие /  А.С. Мазнев, О.И. Шатнев. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 278 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — 
(Среднее профессиональное образование). — DOI 10.12737/1014641.

ISBN 978-5-16-015014-7 (print)
ISBN 978-5-16-107509-8 (online)
Изложены сведения о технических данных и конструктивном исполнении электрических аппаратов управления, контроля и защиты тяговых двигателей электрического подвижного состава (ЭПС), рассмотрены принципы регулирования скорости электровозов и электропоездов 
с контакторно-резисторными и полупроводниковыми преобразователями на основе современной элементной базы, принципиальные электрические схемы различных видов ЭПС с коллекторными и асинхронными 
двигателями в режимах тяги и электрического торможения.

Для студентов учреждений среднего профессионального образования. 
Может быть полезно студентам высших учебных заведений, слушателям 
курсов повышения квалификации, работникам железнодорожного транспорта, связанным с эксплуатацией и ремонтом подвижного состава.

УДК 629.4(075.32) 
ББК 39.12я723

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны

в электронно-библиотечной системе Znanium.com

, доступны

ISBN 978-5-16-015014-7 (print) 
ISBN 978-5-16-107509-8 (online)

© Мазнев А.С., Шатнев О.И., 2008 
© Мазнев А.С., Шатнев О.И., 2020,

с изменениями

ВВЕДЕНИЕ

Для эффективной эксплуатации электрического подвижного состава (ЭПС) необходимо изучение конструкции электрических 
тяговых аппаратов (ЭТА) систем управления электровозов, электропоездов, тепловозов и дизель-поездов. Знание принципов действия ЭТА позволяет принимать правильное решение при ремонте, своевременно и быстро устранять нарушения в работе ЭПС.

Электрические тяговые аппараты — аппараты специального 
исполнения, которые предназначены для работы на подвижном 
составе.

На рис. В.1 приведена классификация ЭТА, в соответствии с 
которой тяговые аппараты используются в силовых схемах ЭПС, 
обеспечивая работу тяговых двигателей в моторном и тормозном 
режимах, в цепях вспомогательных машин (мотор-компрессоров, 
мотор-вентиляторов и т.д.) и цепях управления.

Аппараты силовых и вспомогательных цепей предназначены для 
подключения нагрузки к источнику питания, изменения параметров регулирующих элементов или структуры схемы и отключения ее «с видимым разрывом» контактов (контакторов, защитных аппаратов) и «без видимого разрыва» (магнитные усилители, 
полупроводниковые ключи). С помощью индивидуальных контакторов, групповых переключателей и полупроводниковых ключевых аппаратов осуществляется оперативное управление ЭПС. Для 
защиты электрооборудования используются быстродействующие 
выключатели и контакторы. К аппаратам, которые в рабочем состоянии «не разрывают» электрические цепи, относятся резисторы, реакторы, конденсаторы, токоприемники и заземляющие 
устройства. 
9

Электрические тяговые аппараты выполняют функции:
• коммутационные (контакторы, ключи);
• регулирующие (магнитные и полупроводниковые усилители);

• токоограничивающие (резисторы, реакторы);
• защитные (быстродействующие контакторы, выключатели, 
предохранители);

• контролирующие (датчики, реле);
• контактирующие специальные (токоприемники, заземляющие устройства).

Конструктивные особенности ЭТА следующие:
• наличие токоведущих и контактных систем;

3

Рис. В.1. Классификация электротяговых аппаратов

• использование дугогасительных устройств;
• присутствие изоляционных конструкций;
• применение специальных приводов для подвижных контактов аппаратов.

Конструктивное исполнение ЭТА определяется следующими условиями их работы на ЭПС:

• ограничение по габаритам и массе;
• динамические воздействия от неровностей пути, ударов при 
маневровой работе;

• относительно высокая частота включений и выключений;
• широкий диапазон изменения температуры окружающей среды 
(-60...+40 °С);

• значительная влажность воздуха;
• повышенная загрязненность (особенно в результате использования песка при пуске и торможении);

• значительные колебания напряжения в контактной сети и 
источниках питания цепи управления.

На подвижном составе ЭТА размещаются под вагоном, в высоковольтной камере, тамбуре, на крыше, что отличает их условия работы от условий работы аппаратов общепромышленного 
назначения.

Тяговые аппараты разрабатывают и изготавливают в соответствии с ГОСТ 9219—88. Требования ГОСТа распространяются на 
ЭТА климатического исполнения для умеренно-холодного климата категорий 1, 2, 3, 4.

Общие технические требования к ЭТА следующие.
1. Род тока — постоянный, переменный, пульсирующий.
2. Номинальное напряжение питания по ГОСТ 6962—75:
• сеть переменного тока — UC H = 25 кВ: 
минимальное — Ucmin = 19 кВ; 
максимальное — £/стах = 29 кВ;
в особых условиях допускается напряжение сети UCM = 17 кВ;

• сеть постоянного тока — Udn = 3,3 кВ: 
минимальное — Udmin= 2,7 кВ; 
максимальное — Udmax = 4,0 кВ.

Напряжение для аппаратов цепей управления:
• сеть постоянного тока — 24*; 50; 75; ПО* В (индексом «*» 
отмечены предпочтительные значения напряжения): для электровозов, электропоездов — 50 В, для вагонов метрополитена, тепловозов — 75 В, для троллейбусов и трамваев — 24 В, для новых 
видов ЭПС — 24; 110 В;

• сеть переменного тока — 36; 127*; 220*; 380*; 600; 660* В.

3. Номинальные значения частоты. 16 — ; 50; 100; 200; 400; 1 000 Гц. 

Для бесконтактных аппаратов допускается любая частота.

5

4. Номинальные значения тока в ГОСТе не оговариваются, но 
предпочтительны числа, кратные 10.

5. Давление сжатого воздуха (по ГОСТ 9219—88): 
номинальное /?н= 0,5 МПа (5 ат); 
минимальное ртт = 0,35 МПа (0,7р„); 
максимальное ртях = 0,675 МПа (1,35/?„); 
испытательное рн = 0,75 МПа (1,5/?,,), t = 1 мин.
6. Номинальные режимы работы тяговых аппаратов:
• продолжительный (ЭТА работает неограниченно длительное 
время);

• прерывисто-продолжительный (тепловой процесс стабилизируется);

• повторно-кратковременный (в цикле работы предусматриваются паузы, продолжительность работы незначительна; принимают продолжительность включения ПВ 15; 25; 40; 50 и 60 %);

• кратковременный (длительность рабочего периода 1; 5; 10; 15 
и 30 с; 1; 2; 5; 10; 30; 40; 60 и 90 мин).

7. Климатическое исполнение аппаратов для умеренно-холодного климата:

t,° С

Категории 1, 2 ........................................................................-60...+40
Категория 3 ............................................................................... -50...+60
Категория 4 ................................................................................-40... +60

Категории размещения:
• вне кузова подвижного состава (кроме городского электротранспорта);

• вне кузова городского транспорта;
• внутри кузова (кроме тепловозов);
• в подвагонных камерах;
• внутри кузова, в том числе на тепловозах;
• в кузове с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

В некоторых случаях используют исполнение «умеренный климат» (Италия) и «тропический климат» (Куба).

8. Оборудование подвижного состава должно выдерживать механическую вибрацию с частотой 1... 100 Гц и ускорением g; в сочетании с одиночными ударами в горизонтальном направлении — с 
ускорением Зд

9. Высота над уровнем моря — не более 1 400 м.
10. При температуре окружающей среды +40 °С принимают допустимые температуры.

для контактов — 70...80°С; 
шин алюминиевых — 200 °С; 
пружин — 35... 110 °С;

6

резисторов в наиболее горячей точке при охлаждении: естественном — 350 °С, принудительном — 800 °С.

Температура определяет долговечность изоляции; повышение 
температуры на 10... 20 % снижает срок службы изоляции в 2 раза. 
Увеличение допустимой температуры нагрева дает возможность 
снизить массу тягового аппарата.

Превышение температуры, °С, катушек аппаратов и обмоток 
реакторов над температурой окружающей среды в зависимости от 
класса изоляции показано ниже:

Класс изоляции 
Для катушек

аппаратов

Для обмоток 
реакторов

А
Е
В
F
Н

85
85

95
115

105
130

125
155

150
180

11. 
Все электрические аппараты подвижного состава проверяются на электрическую прочность изоляции в сухом и чистом состоянии испытательным переменным напряжением с частотой 
50 Гц в течение 1 мин.

Действующее значение испытательного напряжения — различное для аппаратов постоянного и переменного тока:

Номинальное напряжение 
аппарата, В, при постоянном 
(переменном) токе

До 30 (До 30).....................
30.. .300 (30... 100)...........
300.. .660 (100...660)........
660.. .3 000 (660...3 000) ..
(1 000... 25 000)...................

Испытательное 
напряжение, В

.......750
.......1 500
.......2 U„ + 1 500
.......2,5 UH + 2 000
....... 2,21/н + 20 000

7

ГЛАВА 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ПРИБОРЫ

1.1. Основы теории электрических аппаратов

1.1.1. Электрические контакты

Под контактом понимают:
физическое явление, связанное с переходом тока из одной токоведущей части в другую, которые должны быть соединены вместе и сжаты с определенной силой;

деталь устройства, которая осуществляет соприкосновение и 
по которой протекает ток в другую токоведущую деталь.

Классификация электрических контактов представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация электрических контактов

8

а 
б 
в 
г
д
е

Рис. 1.2. Виды контактов:

а — точечный; б — линейный; в — торцевой; г — клиновой; д — ножевой; е —

штыревой

По характеру работы коммутационные контакты относятся к 
подвижным, замыкающим и размыкающим (разрывным). Они 
служат для коммутации тока в электрических цепях и являются 
основным видом контактов коммутационных тяговых аппаратов. 
Чаще используются линейные контакты, которые образуются при 
соприкосновении двух цилиндрических поверхностей или цилиндра с плоскостью. Поверхность касания представляет собой узкую 
прямоугольную полосу, причем ток проходит через отдельные 
контакты.

К контактам предъявляются жесткие требования. Они должны 
иметь высокие износостойкость и электропроводность, дугокоррозионную стойкость, теплопроводность и теплоотдачу, механическую прочность, а также реализовывать высокие удельные нажатия для снятия окислительных пленок с поверхности. В качестве примера на рис. 1.2 изображены некоторые виды контактов.

Все контакты характеризуются переходным сопротивлением 
(контактным). Значение этого сопротивления и определяет основной показатель качества контактного соединения, под которым 
понимается падение напряжения

A UK = Ьгк.

Номинальный ток /ном определит максимально допустимое падение напряжения, причем Д£/кдоп < /ном(г -  гк).

На рис. 1.3 изображены зависимости Д £/кдоп от тока для коммутирующих (кривая 1) и неразборных (кривая 2) соединений.

Величины ДС/к.доп превышать нельзя, так как повышенное контактное сопротивление увеличивает нагрев, приводящий к быстрому окислению контактных поверхностей, дальнейшему увеличению контактного сопротивления, что может сопровождаться 
подплавлением и свариванием контактов.

Контактное сопротивление зависит от материала контактов, 
сопротивления пленок оксидов и сопротивления стягивания контактов:

бс = Л, + /•„,

9

Л^яоп, мВ 

6

4

2

О 
5 
10 
15 
20 
25 
/ ном, Ю2 А

Рис. 1.3. Зависимость падения напряжения (/кдоп оттока:

/ — для коммутирующих соединений; 2 — для неразборных соединений

где гп — сопротивление пленок оксидов, зависящее от материала 
и режима работы; г„— сопротивление стягивания контактов, зависящее от их формы и механических свойств.

Для чистой поверхности контактов

— >\:у

Выбор материала контактных соединений определяется его 
свойствами, к которым относятся удельное сопротивление, электропроводность оксидов, износостойкость и дугостойкость. Оксиды металлов имеют большие контактные сопротивления, чем чистые металлы.

Чаще всего для силовых контактов используется медь. Алюминий нельзя использовать для коммутирующих контактов, исключая случаи, когда они в процессе работы постоянно защищены 
(контактные вставки токоприемников).

Для получения качественных контактов реализуют большие 
нажатия, что приводит к устранению пленок оксидов с поверхностей; покрывают неподвижные контакты слоем олова, серебра 
или другого антикоррозийного металла с целью предотвращения 
окисления притирания разрывных контактов за счет перекатывания подвижного контакта по неподвижному с небольшим скольжением.

Большинство контактов изготовляют из меди, обладающей 
сравнительно высокой твердостью и износостойкостью. Использование контактов с металлокерамикой позволяет повысить долговечность контактных деталей в 2 — 3 раза по сравнению с медными. Стальные контакты применяют в скользящих пальцевых 
контактных соединениях (блокировки коммутирующих аппаратов 
в цепях управления). В регуляторах напряжения и скользящих контактах токоприемников используются угольные вставки.

Контакты, выполненные из железоникелевого сплава в виде 
пластин, покрытых золотом, серебром и помещенных в стеклянном баллоне, заполненном азотом с водородом или гелием, по10