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.
Троллейбус — это безрельсовое электрическое транспортное средство, предназначенное для перевозки пассажиров. Он работает на основе электрической тяги и получает питание от контактной сети через штанговый токоприемник. Троллейбусы сочетают в себе характеристики как автобусов, так и трамваев, что делает их удобными для городских условий.
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 — это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую с целью приведения в движение транспортных средств, таких как электровозы, трамваи, троллейбусы и электромобили.
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.
Асинхронные тяговые двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором являются основным выбором для электрического транспорта благодаря своей надежности, экономичности и простоте в эксплуатации. 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 (устройство, использующее полупроводниковые элементы для преобразования электрической энергии из одного вида в другой).
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». В этой конфигурации концы трех обмоток статора соединяются в одной точке, образуя нейтраль. На начальные концы обмоток подается трехфазное напряжение. Это позволяет двигателю работать на более низком фазном напряжении, что снижает пусковой ток и уменьшает нагрузку на сеть.
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.
Система прерывает ток через двигатель с высокой частотой, что позволяет регулировать среднее значение тока и, соответственно, мощность, подаваемую на нагрузку. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется для управления амплитудой и частотой напряжения на обмотках двигателя, что позволяет точно регулировать скорость и крутящий момент.
IGBT-транзисторы имеют встроенные механизмы защиты от коротких замыканий и перегрузок, что повышает надежность системы. Такие транзисторы устойчивы к перегрузкам по току и напряжению, высоких температурах и вибрациям, что делает их идеальными для применения в тяжелых условиях
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.
Благодаря низким потерям мощности в IGBT-транзисторах системы могут достигать эффективности преобразования до 95-97%, поэтому 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 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. Это метод торможения основан на преобразовании кинетической энергии в тепловую с помощью тормозных резисторов.
Практически весь тяговый привод троллейбуса состоит из нескольких частей:
-
пары токоприемников;
-
автоматического выключателя;
-
блока управления на IGBT-транзисторах;
-
регулирующей схемы;
-
контроллера хода и тормоза;
-
блока реостатов;
-
помехоподавляющего дросселя;
-
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.
Современные системы управления тяговыми приводами используют цифровые технологии для постоянного мониторинга таких параметров, как:
- Напряжение и ток на обмотках двигателя.
- Температура электродвигателя и других компонентов.
- Скорость и крутящий момент.
Цифровые контроллеры обрабатывают данные в реальном времени, позволяя адаптировать работу привода в зависимости от текущих условий, таких как нагрузка, скорость и состояние дороги. Все собранные данные могут сохраняться для последующего анализа, что позволяет проводить диагностику, планировать техническое обслуживание и улучшать характеристики работы системы.
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. Она включает в себя ряд систем и устройств, которые контролируют различные параметры и предотвращают потенциальные опасные ситуации. Например, троллейбус не двинется с места при открытых пассажирских дверях или при отсутствии воздуха в тормозной системе.
Андрей Повный