Контроллер машиниста

Контроллер машиниста — это аппарат управления, предназначенный для дистанционного переключения электрических цепей силовых и вспомогательных установок локомотива, моторвагонного подвижного состава (электропоезда, дизель-поезда) или рельсового транспорта (трамвая, метрополитена). Является основным органом управления тягой и, в ряде конструкций, электрическим торможением. Контроллер преобразует механическое перемещение рукоятки (или нескольких рукояток) в электрические сигналы, которые через контакторную или электронную аппаратуру задают режим работы тяговых электродвигателей.

История

Первые прототипы контроллеров появились на рубеже XIX—XX веков вместе с развитием электрической тяги. На ранних электровозах и трамваях управление двигателями осуществлялось напрямую через массивные реостаты, что требовало от машиниста значительных физических усилий. С развитием релейно-контакторной схемотехники возникла необходимость в компактном устройстве, позволяющем управлять силовыми цепями с минимальным усилием.

В 1920—1930-х годах на железных дорогах СССР и Европы получили распространение контроллеры с барабанным типом контактной системы. Они были надёжны, но обладали значительными габаритами и требовали периодической чистки контактов. С середины XX века, с внедрением электропневматических и электромагнитных контакторов, конструкция контроллеров упростилась: они стали выполнять роль задающего устройства (командоаппарата), управляющего низковольтными цепями.

В конце XX — начале XXI века, с переходом на микропроцессорные системы управления (МСУ), контроллеры машиниста эволюционировали в джойстиковые или сенсорные пульты, передающие цифровые команды по шине данных. Тем не менее, классические многопозиционные контроллеры с кулачковыми или пальцевыми контактами продолжают эксплуатироваться на подвижном составе старого поколения.

Классификация

Контроллеры машиниста классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода контактов

• Барабанные (кулачковые) — переключение осуществляется поворотом вала с кулачковыми шайбами, которые замыкают или размыкают силовые контакты. Применялись на старых электровозах (серии ВЛ, ЧС) и трамваях. Отличаются высокой коммутационной способностью, но громоздки.
• Пальцевые (реверсивные) — контакты выполнены в виде подпружиненных пальцев, скользящих по контактным сегментам. Компактнее барабанных, используются в качестве командоаппаратов в современных системах.
• Бесконтактные (электронные) — механическое перемещение рукоятки считывается датчиками положения (потенциометрами, энкодерами), а сигнал обрабатывается микроконтроллером. Характерны для новейших локомотивов (например, 2ЭС6, «Ласточка», «Сапсан»).

По количеству рукояток

• Однорукояточные — одна рукоятка совмещает функции управления тягой, реверсом и торможением. Типичны для трамваев и многих электропоездов (ЭР2, ЭД4М).
• Двухрукояточные — одна рукоятка отвечает за тягу (главный вал), вторая — за реверс и/или торможение. Распространены на магистральных электровозах (ВЛ10, ВЛ80, ЧС7, ЧС200).

По роду тока

• Для постоянного тока — работают с напряжением цепей управления 50 В, 75 В или 110 В.
• Для переменного тока — могут управлять цепями с напряжением до 380 В (вспомогательные машины).
• Универсальные — применяются на двухсистемных локомотивах (ЭП20, ЭП10).

Устройство и принцип работы

Типичный контроллер машиниста состоит из следующих основных узлов:

1. Корпус — литой или сварной, из изоляционного материала (пластмасса, текстолит) или металла с изолирующими вставками. Защищает механизм от пыли и случайных прикосновений.
2. Вал (барабан) — вращающаяся часть, на которой закреплены кулачковые шайбы или контактные сегменты. Вал фиксируется в определённых положениях с помощью фиксатора (защёлки).
3. Контактная система — набор неподвижных и подвижных контактов. В барабанных контроллерах — это силовые контакты, рассчитанные на токи до сотен ампер. В пальцевых — слаботочные (до 10 А), управляющие катушками контакторов.
4. Рукоятка (штурвал) — орган управления, выведенный на пульт. Имеет несколько фиксированных позиций, каждая из которых соответствует определённой комбинации включённых силовых аппаратов.
5. Блокировочные контакты — обеспечивают безопасность: блокируют включение тяги при поднятом токоприёмнике или открытой двери высоковольтной камеры.
6. Механизм реверса — отдельный вал или переключатель, меняющий направление вращения тяговых двигателей (вперёд/назад).

Принцип работы: машинист поворачивает рукоятку на определённый угол. Вал контроллера замыкает или размыкает определённые контакты, подавая питание на катушки контакторов или на вход микропроцессорного контроллера. В зависимости от позиции изменяется схема соединения тяговых двигателей (последовательное, последовательно-параллельное, параллельное) и/или величина сопротивления в цепи якорей (реостатный пуск). В современных системах контроллер задаёт лишь уставку тока или момента, а точное регулирование осуществляется автоматически.

Применение

Контроллеры машиниста устанавливаются в кабине управления на пульте (обычно слева или по центру). Они являются обязательным элементом любого локомотива, электропоезда, трамвая, а также некоторых типов тепловозов с электрической передачей (ТЭП70, ТЭМ18).

На железнодорожном транспорте

• Магистральные электровозы — контроллеры с двумя рукоятками (главный вал и реверсор). На электровозах ВЛ10, ВЛ80 используются кулачковые контроллеры с силовыми контактами. На современных (2ЭС5К, ЭП20) — бесконтактные командоаппараты.
• Электропоезда — на старых сериях (ЭР2, ЭР9) — однорукояточные контроллеры с барабанным механизмом. На новых (ЭД4М, ЭГ2Тв «Иволга») — джойстиковые или кнопочные пульты.
• Метрополитен — контроллеры с повышенной надёжностью и защитой от пыли. На вагонах типа 81-717/714 — двухрукояточные, на «Москва-2020» — сенсорные.

На городском электротранспорте

• Трамваи — классические контроллеры с одной или двумя рукоятками. На современных трамваях (71-911 «Львёнок», 71-931 «Витязь») — джойстики с цифровым управлением.
• Троллейбусы — контроллеры управления тяговым двигателем и реостатом. На новых моделях — электронные педали и джойстики.

Интересные факты

• На электровозах ВЛ22М и ВЛ8 контроллер машиниста имел массивный чугунный корпус и весил более 50 кг. Современные бесконтактные контроллеры весят менее 2 кг.
• В СССР существовала унификация контроллеров: тип КВ-1А (кулачковый, вал) устанавливался на электровозы ВЛ10, ВЛ80, ЧС2, а тип КВ-2 — на тепловозы ТЭ3, 2ТЭ10.
• В трамвайных вагонах «Татра» (Чехословакия) использовался контроллер с педальным приводом — машинист нажимал ногой на педаль, которая через систему тяг поворачивала вал.
• На высокоскоростных поездах «Сапсан» (Velaro RUS) контроллер выполнен в виде двух джойстиков (по одному с каждой стороны пульта), управляющих тягой и торможением через цифровую шину.

Критика и недостатки

• Механический износ — контакты барабанных и пальцевых контроллеров требуют регулярной зачистки и замены. При обгорании контактов возможны сбои в управлении.
• Ограниченное число позиций — классические контроллеры имеют дискретный набор позиций (например, 17 или 33), что не позволяет плавно регулировать силу тяги. Это приводит к рывкам при трогании.
• Эргономика — на старых локомотивах усилие на рукоятке может достигать 5–8 кгс, что утомляет машиниста при длительной работе.
• Электробезопасность — при нарушении изоляции возможен пробой высокого напряжения (3 кВ) на корпус контроллера. В современных моделях применяются гальваническая развязка и оптоволоконные линии связи.

Источники

• Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ).
• Устройство и ремонт электровозов постоянного тока. — М.: Транспорт, 1985.
• Бородулин В. Б. Электрические аппараты тягового подвижного состава. — М.: УМЦ ЖДТ, 2012.
• Конструкция и эксплуатация электропоездов. — М.: Транспорт, 1990.
• Техническая документация на контроллеры машиниста типа КВ-1А, КВ-2.