ER2型电力动车组

背景

蘇聯在1920年代末開始發展電氣化通勤列車，第一代的S型電聯車系列從1929年開始生產，但由於其構造速度（85公里/小時）和起動加速度（0.45米/平方秒）相對較低，到了1950年代初這種列車已經不能滿足日益增長的通勤客運需要。1954年，里加車輛製造廠、迪納摩電氣工廠和里加電機製造廠研製了SN型電聯車，列車採用新型牽引電動機及架懸式轉向架，最高運行速度提高到130公里/小時。1957年，里加車輛製造廠研製了新一代的ER1型電聯車，採用「五動五拖」的10輛編組，以「一動一拖」為基本動力單元，使列車加速性能得到明顯的提高。然而，由於ER1型電聯車的車門只能適應高站台的車站，使其使用範圍受到很大限制。因此，里加車輛製造廠在ER1型電聯車的基礎上，於1960年代初研製了ER2型電聯車。ER2型電聯車改變了車體結構，使車門能適應各種高度的站台，而各種電氣設備和機械裝置亦根據ER1型電聯車的使用經驗作出了改進。

ER2I

ER2型電聯車採用直流電傳動，調節起動電阻和牽引電動機的串聯和並聯轉換來完成列車的起動和速度調節，但這種調速方式的缺點是電阻的電能耗損較大，而且只能採取有級調壓的模式，不能連續平滑地調節速度。1960年代末，全蘇車輛製造科學研究所、塔林電機製造廠和波羅的海鐵路局開始了關於直流電聯車脈衝調壓方式的研究。脈衝調壓方式用晶閘管直流斬波器取代了以往的起動電阻，通過周期性的快速開通和關斷，將恆定的直流電壓分割成一系列的脈衝電壓，通過改變脈衝的頻率就能夠方便地改變輸出直流電的電壓平均值，從而實現了無損耗的直流調壓。
然而，由於當時電力牽引領域的脈衝調壓控制仍處於摸索和發展階段，而且蘇聯當時亦沒有製造大功率半導體元件的足夠經驗，因此蘇聯決定在電聯車上首先試驗局部的晶閘管脈衝控制。1967年，波羅的海鐵路局扎蘇洛克斯機務段的一列ER2-837號列車的其中一輛動車進行了實驗性改造，這輛動車仍然保留的起動電阻，但電阻器的通斷並非由接觸器控制，而是改由晶閘管組成的無觸點開關電路控制。1970年，扎蘇洛克斯機務段的ER2-830號列車進行了全面的脈衝調壓改造，在其中兩節動車上安裝了晶閘管斬波器，代替原本的起動電阻和開關器件，每兩台牽引電機為一組串聯連接、兩組並聯連接，列車在同年4月開始投入試運行。1972年至1974年間，扎蘇洛克斯機務段和莫斯科機車修理廠合作，對其他部分ER2型電聯車亦進行了脈衝調壓改造，經改造後的列車改稱為ER2ᴵ型電聯車（ЭР2и）。每輛動車安裝了一台1200千瓦的ТИП-1200-ЗГИ型晶閘管斬波器，每台斬波器採用36個TL200-9型晶閘管和48個VL-200-10型二極體元件，當斬波器輸出電壓接近接觸網電壓時，將牽引電動機直接與接觸網電路連接。1973年，全蘇鐵道運輸科學研究院和蘇聯交通部對ER2、ER2ᴵ型電聯車進行了對比試驗，試驗結果顯示ER2ᴵ型電聯車平均比前者節省了9.8~12.8%的電力消耗。
與此同時，莫斯科動力工程學院亦在同步進行ER2型電聯車的晶閘管脈衝控制技術的研究。1970年，經蘇聯交通部機車設計局批准，莫斯科機車修理廠根據莫斯科動力工程學院的設計方案，對配屬莫斯科二號機務段的ER2-559號列車進行了改造，經改造後的列車同樣被改稱為ER2ᴵ-559號列車。與上一方案相比，莫斯科動力工程學院的方案並不會將牽引電動機與接觸網電路直接連接，從而保證牽引電動機端電壓的恆定；而由於牽引電動機輸入電壓由1500伏提高到1650伏，亦使電動機輸出功率提高了10%，此外該系統並設有再生制軔功能。但這個方案的缺點是斬波器裝置十分笨重，令動車重量達到58.1噸。此後，莫斯科動力工程學院的方案沒有用於ER2型電聯車的脈衝調壓改造，反而被後來的ER2ⱽ型電聯車採用。

ER2B

1966年，里加車輛製造廠試製了ER2ᴮ-596號列車。ER2ᴮ型電聯車的電氣設備和結構均作出了改進，在調壓電路中採用無觸點的電動調節閥取代原來的電空接觸器，而防滑行防空轉保護方面採用了比電磁閥更可靠的差動繼電器，此外在車廂內並採用了螢光燈照明。ER2ᴮ-596號列車出廠後配屬波羅的海鐵路局扎蘇洛克斯機務段投入運用，至1972年這組列車又被用於蓄電池動力的ER2A6型電聯車的改造實驗。

ER2A6

1972年，為了驗證電聯車在電氣化和非電氣化區段之間直通運行的可行性，ER2ᴮ-596號列車在列寧格勒的十月電動車輛修理廠進行改裝，作為蓄電池驅動列車的技術實驗平台，經改造後的列車被改稱為ER2A6型電聯車（ЭР2А6）。10輛編組列車的其中6節車車廂被分拆出來，重新組成一列6輛編組的列車。原本設於拖車下的電動發電機和空氣壓縮機等輔助設備均轉移到動車下，使拖車下能夠搭載總共672塊ТЖНТ-400型蓄電池，蓄電池總重達40噸、總容量為806.4千安倍小時。在電氣化區間，列車通過接觸網供電運行，同時對蓄電池進行充電，當列車實行再生制軔時可以將電能回饋到接觸網。而在非電氣化區間，列車由大容量蓄電池供電，再生制軔時還能夠對蓄電池進行充電。1973年，ER2A6型電聯車在波羅的海鐵路局投入試運行。但由於這種列車結構較為複雜，而且里加鐵路樞紐的柴油動車組數量亦逐步增加，因而蓄電池電聯車的研製於1975年停止。ER2A6型電聯車不久後被停用，至1992年被拆解。

ER2V

1960年代，隨著鐵路幹線運量不斷增長、行車密度不斷提高，蘇聯開始研究將直流電氣化鐵路的電壓由3000伏提高到6000伏，以降低接觸網中的電能損失，並節省改造成交流電氣化鐵路的巨大投資。1970年代初，蘇聯在外高加索鐵路的哥里—茨欣瓦利單線區段上進行首次6000伏直流電氣化鐵路的試驗，並由提比里西電力機車製造廠試製了一台VL8ⱽ型電力機車和改造了五台VL22M型電力機車，在該區段進行運行試驗。1973年，莫斯科機車修理廠對一列ER2型電聯車完成改裝，成為世界上首列6000伏直流電聯車，並改稱為ER2ⱽ型電聯車（ЭР2в）。ER2ⱽ型電聯車採用了晶閘管斬波器和脈衝調壓控制，動車車頂並設有風冷式變壓器，而原本設於動車車頂的受電弓被轉移到拖車車頂（ER2ⱽ-556號列車除外）。1973年至1975年間，莫斯科機車修理廠共改造了4列ER2ⱽ型電聯車，其中包括4輛編組列車三列（867+55606+55608+868；881+63104+63106+882；879+63108+55304+880）、8輛編組列車一列（57801+57808+63103+57810+63102+63107+63110+57809）。
1974年6月，ER2ⱽ-556號列車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道進行試驗。1977年至1978年間，四組列車在外高加索鐵路投入試驗。但由於面對不同的技術困難，蘇聯最終放棄採用6000伏高壓直流電氣化鐵路的計劃，除ER2ⱽ-556號列車外其他三列ER2ⱽ型電聯車均在1980年報廢。而ER2ⱽ-556號列車其後改配屬十月鐵路局的列寧格勒-芬蘭動車段，並重新改裝為適合3000伏直流電的斬波器脈衝調壓系統，列車編號恢復為ER2-867/868。這組列車除了日常的服務外，亦被列寧格勒鐵道運輸工程學院用於進行各類型的試驗，至2008年正式報廢。

列車組成

ER2型電聯車是在ER1型基礎上改進設計而成，除了車門設計及個別機電裝置外，兩者的總體結構、電氣系統基本相同。ER2型電聯車採用動力分散方式，其標準編組為「五動五拖」的10輛編組，由2輛帶司機室的頭部控制拖車、3輛中間拖車、5輛動車組成，每「一動一拖」組成一個電氣獨立單元，司機可在任一司機室對全列車進行操縱。列車亦可以根據實際需要增減車廂數量，採用靈活的編組方式，列車最短編組為4節車廂（2個動力單元），最長編組可達12節車廂（6個動力單元），各車廂之間採用SA-3型自動車鉤連接。
車輛編號方面，每組列車和每節車廂的編號都是唯一的，車輛編號由三或四位數的列車編號和兩位數的車廂編號組成。在10輛或12輛編組的列車之中，動車的車廂編號為雙數（02、04、06、08、10、12），中間拖車的車廂編號為單數（03、05、07、11），頭部控制拖車的車廂編號亦為單數（01、09）。而在8輛編組的列車之中，加里寧車輛製造廠將額外生產的控制拖車編號定為07。而後來里加車輛製造廠亦開始製造拖車後，不論列車編組的車廂數量，里加廠一概將控制拖車的編號定為09，而與之配套動力單元的動車編號定為10。

轉向架

每節車廂裝有兩台二軸轉向架，可分為動車轉向架和拖車轉向架兩種，兩者除了驅動裝置的差別之外，其餘部分均採用了基本一致的結構。轉向架構架由一根中央梁、兩根橫樑、鋼板和兩根側梁焊接而成一體。軸箱採用圓柱滾子軸承及導柱式軸箱定位裝置，實現輪對相對轉向架構架的縱向及橫向位移。制軔裝置為吊掛式雙側閘瓦基礎制軔。轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為軸箱側螺旋圓彈簧，二系懸掛為搖動台式彈簧中央懸掛裝置，採用每側兩個螺旋圓彈簧（首列原型車仍採用與ER1型電聯車相同的橢圓形鋼板彈簧），使轉向架彈簧系統的靜撓度由95毫米增加到120毫米。為了改善轉向架的垂向振動性能，在兩層懸掛裝置均裝有減震器，輪對軸箱及構架之間設有摩擦阻尼器，中央彈簧懸掛裝置亦增設了液壓減震器。
轉向架採用全旁承承載結構，取代了ER1型電聯車所使用的心盤承載結構。車體重量通過中央懸掛裝置左右兩側的彈性旁承支承於轉向架上，旁承採用層壓塑料製成，通過摩擦力矩抑制車體的側滾和轉向架的蛇行運動。轉向架兩側設有斜對稱安裝的縱向牽引拉杆，拉杆兩端具彈性節點將搖枕和構架相連，以傳遞牽引力及制軔力，並使搖動台得到縱向定位並改善振動性能。此外，先頭控制拖車的轉向架還設有接收自動機車信號（АЛС）的接收線圈。
早期生產的ER2型電聯車曾經採用加里寧車輛製造廠生產的КВЗ-5/Э型拖車轉向架，與後期的ER1型電聯車相同；從ER2-375號列車開始採用經過改進的КВЗ-ЦНИИ/Э型拖車轉向架，與前者相比，該型轉向架具有較高柔度的彈簧懸掛系統，搖枕裝置通過帶有橡膠彈性節點的牽引拉杆取得縱向定位，並以旁承承載代替了心盤承載。
動力轉向架裝有兩台牽引電動機，牽引電動機採用架懸式全懸掛安裝方式，將牽引電機整個懸掛在轉向架構架上，以減輕簧下質量，並減少電機承受從軌道傳遞而來的振動衝擊。牽引電動機通過彈性聯軸器向車軸齒輪箱傳遞扭矩，再經過齒輪箱內大、小直齒圓柱齒輪驅動輪對。車軸齒輪箱採用軸懸式懸掛，其中一端通過抱軸承剛性抱合在車軸上，另一端通過緩衝橡膠墊架設在轉向架構架上，齒輪傳動比為23：73。從1969年5月生產的ER2-659號列車起，開始對齒輪箱採用四根吊杆彈性懸掛，與ER22型電聯車相同。

牽引電路

ER2型電聯車的牽引傳動電路與後期的ER1型電聯車基本一致。列車採用直—直流電傳動，每輛動車裝有一台受電弓及四台牽引電動機。接觸網導線上的3000伏直流電電流，經受電弓引入列車後經過調壓，供給牽引電動機及驅動輪對。各個「一動一拖」動力單元互相獨立，當列車的其中一個單元發生故障時，列車的牽引主電路可隔離該動力單元，而列車的運行則不受影響。
列車通過增減串聯電阻、牽引電機的串—並聯換接、磁場削弱進行調速。在列車起動和加速過程中，用接觸器及電阻器來調節牽引電動機的電壓。為減少起動電阻中的電能消耗，每輛動車的四台牽引電動機首先全部串聯連接，然後隨著列車速度提高使每兩台牽引電機為一組串聯連接、兩組並聯連接，電路的換接是採用電空接觸器按橋式電路來實現。為擴大恆功調速範圍，還可以對牽引電動機採用二級磁場削弱，削弱率分別為67%和50%。司機控制器具有18個運行級位，每個級位分別對應一組接觸器位置；在串聯模式有11個級位（1～11），其中10、11位為經濟運行級位，其餘為過渡級位；在並聯模式有7個級位（12～18），其中17、18位為經濟運行級位。當司機控制器達到18位時，牽引電路切斷所有電阻、磁場削弱率為50%，此時列車將達到最高速度。當司機控制器恢復0位時，牽引電動機恢復到全串聯連接，並接通所有電阻器，從而切斷了對牽引電動機的供電。

保護系統

牽引電動機設有保護裝置，使其在必要的情況下從主電路上直接斷開。牽引電動機的短路保護由高速斷路器（БВ）和差動繼電器（ДР）實現，當牽引電流大於575±25安倍時高速斷路器即發生作用以中斷電路。電路中還採用了防空轉差動保護的防空轉繼電器（РБ），當發生輪對空轉或滑行，或者牽引電動機與主動齒輪斷裂時，偵測到某牽引電動機與其他電機的異常轉速差而發生作用。而牽引電動機的電流過載保護，採用最大整定電流為265安倍的過載繼電器（РП）進行保護。此外，列車還設有檢測接觸網電壓的電壓繼電器（РН）、保護電動發電機及空氣壓縮機的過載繼電器（РПДиК），電熱器過載繼電器（РПО）和制軔失效主斷路器（АВУ）等各種電路保護裝置。

輔助設備

每輛拖車均設有一台ДК-604В型電動發電機，該機組由一台直流電動機及一台同軸的直流發電機組成，機組總重為1200公斤。電動機及發電機的額定功率分別為12千瓦和10千瓦，額定轉速為每分鐘1000轉，輸入電壓為1500伏，輸出電壓為50伏，為列車的控制電路供電。當電動發電機因故障停止運轉時，控制電路改由蓄電池供電。
此外，拖車還設有一台空氣壓縮機，由一台ДК-405В型直流電動機驅動，為列車的制軔系統、氣動式滑動車門、電力系統的各種氣動式接觸器等設備供應壓縮空氣。而在動車上亦設有一台由蓄電池供電的輔助壓縮機，用於當列車風管無壓力時為受電弓升弓提供壓縮空氣。