VL80型电力机车

背景

1950年代初，蘇聯在第五個五年計劃期間，開始了大規模的電氣化鐵路建設計劃，並決定在更多鐵路採用交流供電制式。1956年，在莫斯科召開的蘇共第二十次代表大會上，蘇聯正式通過了大規模過渡到電力及內燃牽引的決定，決定在15年內建造40,000公里的電氣化鐵路。1957年底，諾沃切爾卡斯克電力機車廠成功研製了新一代的N6O型六軸交流電力機車（即後來的VL60型電力機車）。1958年10月，蘇聯交通部決定對西伯利亞鐵路的馬林斯克—克拉斯諾亞爾斯克—濟馬區段改造為交流電氣化鐵路，並批准N6O型電力機車投入批量生產。為了滿足交流電氣化鐵路的貨運需要，蘇聯鐵路還需要一種新型大功率幹線貨運電力機車。為此，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始在VL60型電力機車的基礎上，開發研製雙節八軸的大功率交流電力機車。
在設計過程中，諾沃切爾卡斯克電力機車廠提出了五種的總體設計方案，以及兩種牽引馬達端電壓（750伏特、950伏特）的主電路方案以供比較。雖然從當時VL60型電力機車的運用經驗看來，較低的端電壓對調壓系統的運作相對更為有利，但工廠認為採用950伏特的端電壓能減小牽引馬達和主電路系統的設備重量。1958年底，工廠開始進行的機車的施工設計，設計性能指標優於最初設定的技術指標，小時功率為6200千瓦，持續牽引力達到44,000公斤。新機車被定型為N8O型電力機車（Н8О），其中「N」代表諾沃切爾卡斯克電力機車廠，「8」代表八軸機車，「O」代表單相交流電。

VL80V（N8O）

1961年9月，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了首台原型車（N8O-001），到同年年底又試製了兩台機車（N8O-002、003）。這種機車由兩節完全相同的四軸機車連接而成，每節機車上安裝一台主變壓器和引燃管整流器。值得注意的是，N8O型電力機車採用了與VL62型電力機車相同的變壓器高壓側調壓開關來實現調速控制，而非VL60型電力機車的低壓側調壓。機車採用НБ-413型牽引馬達，額定電壓為950伏特。機車構造速度為110公里/小時，小時功率為6200千瓦，持續功率為5560千瓦。小時牽引力為44,100公斤，小時制持續速度為50公里/小時，持續牽引力為38,300公斤，持續制持續速度為51.9公里/小時。
1961年11月至12月，N8O-001號機車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地，以及外高加索鐵路局管內哈舒里至阿哈爾達巴區段進行了牽引性能和動力學性能試驗。自1963年1月起，諾沃切爾卡斯克電力機車廠迫於在新切爾卡斯克事件後所受到的政治壓力，N8O型電力機車根據蘇聯交通部的指示改稱為VL80ⱽ型電力機車（ВЛ80В），「V」代表高壓側調壓（высоковольтного регулирования）。完成試驗後，三台VL80ⱽ型電力機車（VL80ⱽ-001～003）配屬北高加索鐵路局巴泰斯克機務段，但由於當時高壓側調壓的一些可靠性問題，這些機車較少投入實際運用。

VL80（N81）

1962年下半年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了兩台N81型電力機車（N81-001、002），至1963年起改稱為VL80型電力機車（VL80-004～005）。與最初的N8O型電力機車相比，N81型電力機車的司機室外觀與VL60型電力機車完全相同，並改用了與VL60型電力機車相同的變壓器低壓側調壓方式，而引燃管整流器則仍然與N8O型電力機車一致。N81型電力機車採用了功率更大的НБ-414А型牽引馬達，額定電壓為950伏特。機車構造速度為110公里/小時，小時功率為6400千瓦，持續功率為5760千瓦。小時牽引力為47,900公斤，小時制持續速度為47.8公里/小時，持續牽引力為41,100公斤，持續制持續速度為50.1公里/小時。
1962年12月，VL80-005號機車的其中一節在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地進行了牽引性能試驗，試驗結果顯示НБ-414А型牽引馬達的性能未如理想。而另外一節機車則在諾沃切爾卡斯克電力機車廠的環形鐵道進行試驗。1963年初，VL80-005號機車通過了全蘇鐵道運輸科學研究院主持的車體及轉向架強度試驗，而VL80-004號機車則通過了正線運行試驗。根據試驗結果，諾沃切爾卡斯克電力機車廠對НБ-414А型牽引馬達的換向器、電樞線圈、電刷等部件作出了改良，並改稱為НБ-414Б型牽引馬達。1963年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠開始小批量生產VL80型電力機車，至1964年停產共生產了21台。1969年，所有早期生產的VL80型機車均進行了改造，以矽整流器取代了引燃管整流器，因而改稱為VL80ᴷ型電力機車。

VL80K

隨著電力電子技術的發展，大功率半導體器件的生產和應用漸趨成熟。1960年代初，蘇聯開始研製採用矽整流器取代引燃管的交流電力機車。繼VL62型電力機車及VL60ᴷ型電力機車之後，諾沃切爾卡斯克電力機車廠於1963年成功研製了首台採用矽整流器的VL80ᴷ型電力機車（ВЛ80К）。1964年3月至4月，VL80ᴷ-015號電力機車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地完成了牽引性能試驗，隨後配屬東西伯利亞鐵路局投入運用考核。同年6月，VL80ᴷ型電力機車開始投入大批量生產。至1971年停產為止，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了695台VL80ᴷ型電力機車。VL80ᴷ型電力機車主要配屬到北高加索鐵路局和東西伯利亞鐵路局，很快成為了蘇聯交流電氣化鐵路的主力貨運機車，並顯示出良好的經濟效益。
VL80ᴷ型電力機車是交—直流電傳動的幹線貨運電力機車。每節機車安裝一台額定容量為4630千伏安的ОЦР-5000/25В型主變壓器，以及兩台ВУК-4000型矽整流器，每台整流器向一個轉向架上兩台並聯的牽引馬達供電。矽整流器採用橋式整流電路，每一橋臂有十二個並聯支路，每個支路由八個串聯連接的ВКД-200-4型二極體組成，每台整流器使用384個二極體。機車採用低壓調壓開關進行有級調壓，具有33個調壓級位以及3個磁場削弱級。為了使調壓時不斷開電路和限制繞組短路電流，機車採用了過渡電抗器進行級位轉換。但過渡電抗器亦帶來經濟運行級少和調壓開關開斷電流大等缺點，機車只有9個經濟運行級。
VL80ᴷ型電力機車最初曾經採用НБ-414Б型牽引馬達。從VL80ᴷ-031號機車開始採用НБ-414В型牽引馬達，改變了驅動端軸承的設計。1965年，其中一台新造的VL80ᴷ型電力機車採用了НБ-418型直流串勵牽引馬達，該型電機主極及換向極各六個，磁極和電樞分別採用H級和B級絕緣，額定電壓為950伏特，電機重量為4300公斤，在97%全勵磁模式下，小時功率為725千瓦，小時電流為810安倍，額定轉速為每分鐘1020轉。同年，VL80ᴷ型電力機車開始採用帶補償繞組的НБ-418К型牽引馬達，在97%全勵磁模式下的小時功率為785千瓦，小時電流為880安倍，額定轉速為每分鐘890轉。
輔助機械採用三相異步馬達驅動，由變壓器次邊的輔助繞組向НБ-455А型旋轉式劈相機供電，將單相交流電轉換成三相交流電，向壓縮機、通風機等輔助機組供應380伏特交流電。劈相機額定容量為115千伏安，轉速為每分鐘1490轉。機車走行部為四台二軸轉向架，使機車擁有良好的通過曲線性能。一系懸掛由螺旋彈簧、鋼板彈簧和橡膠墊構成，二系懸掛採用中央摩擦支承和搖擺旁承，一系和二系懸掛系統靜撓度分別為59.6毫米和50毫米，車體和轉向架構架之間還設有垂向油壓減震器。1964年出廠的VL80ᴷ-037號機車試驗採用具有搖枕懸掛的轉向架，懸掛系統總靜撓度增加到131毫米（轉向架57.6毫米，搖枕73.4毫米），使機車構造速度進一步提高到120公里/小時。1967年新造的其中12台VL80ᴷ型電力機車亦採用了相同設計。

VL80T

VL80型電力機車主要用於牽引重載貨物列車，因此對機車的制軔性能也提出了更高的要求。由於VL80ᴷ型電力機車並沒有動態制軔功能，列車僅依靠踏面制軔來減速，造成了較大的閘瓦損耗。為了提高機車的平均運行速度和牽引噸位，諾沃切爾卡斯克電力機車廠與全蘇電力機車研究與設計院和莫斯科動力工程學院合作，在VL80ᴷ型電力機車的基礎上，於1967年研製了具有電阻制軔的VL80ᵀ型電力機車（ВЛ80Т）。
該型機車的機械部分與VL80ᴷ型電力機車相同，而主電路系統除了電阻制軔部分之外也大致相同，另外還安裝了最佳制軔力自動控制系統（СОАРТ）。為了增加搖枕懸掛轉向架的使用經驗，首兩台VL80ᵀ型電力機車（VL80ᵀ-158、159）安裝了與VL80ᴷ-037號機車相同的轉向架。在電阻制軔模式下，牽引馬達電樞繞組與牽引供電電路斷開，牽引馬達變為他勵發電機運轉，勵磁電流由閘流體控制器調節，使機車能在較大速度範圍內均勻地調節制軔力，而牽引馬達所發出的電能供給制軔電阻。自動控制系統能夠使列車在下坡道上按設定速度運行，並自動分配電阻制軔和空氣制軔的制軔力。
1969年，VL80ᵀ型電力機車開始投入大批量生產。1967年至1980年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了1072台VL80ᵀ型電力機車。

VL80R

1967年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠、諾沃切爾卡斯克電力機車科學研究所、全蘇鐵道運輸科學研究院在VL80ᵀ型電力機車的基礎上，合作研製了帶有再生制軔的VL80ᴿ型電力機車（ВЛ80Р），這也是蘇聯第一種閘流體相控電力機車。首台機車（VL80ᴿ-300）在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地完成了牽引性能試驗後，配屬北高加索鐵路局巴泰斯克機務段投入運用考核，試驗結果顯示再生制軔的電能回收率可達到10.3%，當機車速度為50公里/小時可產生約37噸的制軔力。該機車的車體、轉向架、牽引馬達和輔助機械裝置與VL80ᴷ型電力機車保持一致，但機車主電路則有較大變化。機車採用了閘流體不等分三段全控橋相控整流電路，在牽引模式下閘流體變流器實現機車的平滑調壓；而在再生制軔模式下，閘流體變流器將牽引馬達所發出的直流電逆變為50赫茲單相交流電。每台機車裝有四台ВИП-1760型變流器，每台變流器採用300個ТЛ200-6型閘流體，每台機車使用1200個閘流體元件。此外，每節機車的主電路保護系統不再採用電流接觸器，改為採用變壓器室內的高速斷路器；而由於採用了再生制軔的原因，原本位於VL80ᵀ型電力機車車頂上的制軔電阻帶亦被移除。
根據VL80ᴿ-300號機車的試驗結果和使用經驗，諾沃切爾卡斯克電力機車廠於1969年底試製了另外兩台機車（VL80ᴿ-621、622），機車採用ОДЦЭ-5000/25А型主變壓器和ВИП-2200型閘流體變流器，每台變流器採用260個ТЛ2-200型閘流體。1970年，VL80ᴿ-621、622號機車配屬北高加索鐵路局投入運用考核。1973年底，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了VL80ᴿ-1500號機車，該機車安裝了ОДЦЭ-5000/25型主變壓器及ВИП2-2200М型閘流體變流器，每台變流器採用154個Т2-320型閘流體，進一步簡化了電路結構。1974年9月，VL80ᴿ-1500號機車在北高加索鐵路局完成牽引性能試驗，並於1974年底至1975年年初在環形鐵道試驗基地通過驗收試驗。同年，VL80ᴿ型電力機車開始投入大批量生產。1967年至1986年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了373台VL80ᴿ型電力機車，主要配屬於克拉斯諾亞爾斯克鐵路局、東西伯利亞鐵路局、遠東鐵路局和北高加索鐵路局使用。該型機車開啟了蘇聯閘流體相控電力機車的先河，其牽引電路系統亦被後來的VL85、VL65、EP1、E5K型電力機車所沿用。

VL80S

VL80ᵀ型電力機車未設有多機重聯運行控制系統，不能與另外一台VL80ᵀ型機車重聯運行。1970年代末，為了滿足重載運輸的需要，全蘇電力機車研究與設計院為VL80ᵀ型電力機車開發了重聯控制系統，設有電氣重聯控制和空氣制軔系統重聯功能，司機可在其中任何一節車的司機室對兩組機車進行統一控制，並監控鄰車的工作情況，可實現兩組機車重聯運行。裝備這種重聯控制系統的機車被定型為VL80S型電力機車（ВЛ80С）。除了重聯控制和鄰車監控系統外，該型機車的電氣系統和機械部分與VL80ᵀ型電力機車完全相同。
1980年，VL80S型電力機車開始投入大批量生產。1982年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了經過改良的VL80S-550～552號機車，不僅兩組機車（四節）能夠重聯運行，還能夠組成三節的機車組重聯運行，提高了機車運用的靈活性，但唯一的不足是第三節機車無法使用電阻制軔，從1983年新造的VL80S-697號機車開始均採用了這種設計。至1995年停產為止，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了2746台VL80S型電力機車，最後一台機車（VL80S-2746）於1995年交付遠東鐵路局哈巴羅夫斯克二號機務段。
中國於1980年代末從蘇聯引進的8G型電力機車即為VL80S型機車的改進型之一。

VL80SM

1990年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在VL80S型電力機車的基礎上，結合VL85型電力機車的部分新技術，研製成VL80SM型電力機車（ВЛ80СМ）。牽引馬達、矽整流器、牽引變壓器及平波電抗器等部件都採用了當時最新的結構，並採用了更為經濟的通風系統，降低了功率損耗，因而使該型機車的效率提高了2%。由於對機械部分和電氣部分進行了技術改造，提高了機車的防空轉性能及粘著係數，使機車的最大牽引力提高了4.4%。此外，VL80SM型電力機車並採用新設計的司機室，設有取暖裝置和空調等設備。機車的持續功率為6520千瓦，持續牽引力為45,900公斤（450千牛），機車軸重為24噸。
1990年至1993年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠共生產了4台VL80SM型電力機車（VL80SM-3001～3004），均配屬北高加索鐵路局巴泰斯克機務段投入運用。

VL80A

隨著電力電子技術的發展，適合鐵路機車車輛使用的變頻調速控制裝置逐步變得實用化，使交流馬達應用於鐵路機車車輛得以成為現實。蘇聯從1965年便開始研究電力牽引的交流傳動技術。無換向器的交流馬達可分為異步馬達和同步馬達兩種類型，蘇聯從一開始就同時往兩個方向開展了交流牽引馬達傳動系統的研究工作。全蘇電工科學研究院（ВНИИЭ）、莫斯科鐵道運輸工程學院（МИИТ）、列寧格勒鐵道運輸工程學院（ЛИИЖТ）研究異步牽引馬達的交流傳動系統；而蘇聯交通部全蘇鐵道運輸科學研究院則負責研究同步牽引馬達的交流傳動系統。全蘇電力機車研究與設計院和諾沃切爾卡斯克電力機車廠承擔了這兩種型式電力機車原型車的研製和試驗任務。
1967年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在VL80ᴷ-238號機車的其中一節機車上，安裝了牽引變流裝置和異步牽引馬達，而另一節機車則仍然保持不變，經過改造的這組機車被改稱為VL80ᴬ型電力機車（ВЛ80А），「A」代表採用異步馬達。該原型車採用交—直—交流電傳動系統，採用了與N8O型電力機車相似的變壓器高壓側調壓，具有32個調壓級。一節機車安裝有兩組變流裝置，經主變壓器向兩台矽整流機組供電，將單相交流電轉換成直流電，然後由兩台電流型逆變器轉換成頻率可調節的三相交流電輸出，每台逆變器分別向每個轉向架上的兩台異步牽引馬達並聯供電。機車採用ЭТА-1200型異步牽引馬達，額定功率為1200千瓦，額定頻率為80赫茲，相電壓和電流為693伏特和740安倍，齒輪傳動比為19：88（1：4.632）。
根據VL80ᴬ-238號機車的研製經驗，諾沃切爾卡斯克電力機車廠於1971年3月試製了VL80ᴬ-751號機車。與之前的機車不同，VL80ᴬ-751號機車的整流電路採用了變壓器低壓側有級調壓與閘流體相控調壓相結合的級間相控調壓方式，利用低壓側調壓開關構成七個大調壓級，並在每級之內實現閘流體相控無級調壓，使牽引馬達端電壓能夠平滑調節，改善了機車的牽引性能。每節機車裝有兩台ВИУ 2х1200型整流器，輸出電壓為0～2080伏特，額定電流為1600安倍。交流傳動系統採用軸控方式，每台整流器分別向兩台逆變器獨立供電，每台逆變器對應一台牽引馬達。機車採用НБ-602型異步牽引馬達，額定功率為1200千瓦，相電壓和電流為750伏特和680安倍，電機重量為3900公斤。然而，交流傳動系統存在較多不足，逆變器由於閘流體等原因未能實現全工況運用，只能在第五調壓級或以下電壓工作，且機車未設有再生制軔。直到1977年底，該機車才開始在莫斯科鐵路局奧熱列利耶機務段進行部份牽引試驗項目。

VL80B

蘇聯是世界上少數曾經對同步牽引馬達進行廣泛研究的國家之一。1967年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠試製了VL80ᴮ-216號機車（ВЛ80Б-216），其中一節機車上安裝了牽引變流裝置和同步牽引馬達，而另一節機車則仍然和VL80ᴷ型機車保持不變，型號中的「B」代表採用無刷馬達。該機車裝用ОДЦЭ-7500/25型主變壓器，和VL80ᴷ型機車的ОЦР-5000/25В型主變壓器相比，其容量和重量分別提高到7500千伏安和9600公斤，次邊繞組輸出電壓調整為2×208伏特和1020伏特，另外還有勵磁繞組和輔助繞組。VL80ᴮ-216號機車仍然沿用變壓器低壓側調壓開關，具有36級調壓級，其中18級為運行位。機車上安裝有四台變流器，每台變流器對應一台牽引馬達。每台變流器具有12個橋臂，每個橋臂由18個串聯連接的ВКДУ-150-7型閘流體組成，一節機車共使用864個閘流體。機車採用НБ-600型同步牽引馬達，定子繞組由獨立的閘流體整流器提供直流勵磁電源，額定功率為1200千瓦，額定轉速為每分鐘1600轉，額定頻率為80赫茲，相電壓為1280伏特，電機重量為4200公斤，齒輪傳動比為21：88（1：4.19）。
VL80ᴮ-216號機車於1967年11月4日進行首次試運行，並進行了一系列的調試和改進。當機車在工廠試驗環線上牽引6000噸的列車，最高速度可達到70公里/小時，牽引馬達的最大過載功率可達到1700千瓦。1969年，該節採用交流傳動的機車在環形鐵道試驗基地進行牽引性能試驗，試驗結果顯示持續牽引力為22.8噸，最高速度可達到86公里/小時，但同時也發現變流系統的一些問題。1973年，該機車被全蘇鐵道運輸科學研究院用於進行再生制軔的研究。

VL80V

根據VL80ᴮ-216號機車的試驗結果，諾沃切爾卡斯克電力機車廠於1970年試製了VL80ⱽ-661號機車（ВЛ80В-611）。該機車的機械部分和制軔裝置與VL80ᵀ型電力機車基本相同。壓縮機及通風機由三相異步馬達驅動，採用電容式相移電路而非旋轉式劈相機供電。交流傳動系統經過重新設計，裝用ОДЦЭ-7500/25А型主變壓器，次邊繞組輸出電壓調整為3×250伏特和1000伏特，另外還有勵磁繞組和輔助繞組，變壓器重量為8500公斤。機車採用ПЧФ-1У型變流器，每台變流器由168個ТЛ2-200型閘流體組成，額定輸出電壓為1360伏特（140赫茲），短時間內（15分鐘）可輸出1125安倍（2赫茲）的大電流。機車採用НБ-601型八極同步牽引馬達，額定功率為1025千瓦，額定轉速為每分鐘1350轉，相電壓為650伏特，相電流為628安倍，電機重量為4100公斤。向逆變電路的供電採用級間相控調壓方式從而實現平滑調壓，利用低壓側調壓開關構成七個大調壓級，並在每級之內實現閘流體相控無級調壓。
VL80ⱽ-661號機車出廠後，在北高加索鐵路局進行了逾6000公里的試運行，其後返回諾沃切爾卡斯克電力機車廠作進一步改進。1971年，該機車在全蘇鐵道運輸科學研究院的環形鐵道試驗基地完成了牽引性能試驗，試驗結果顯示，實測機車功率（牽引馬達輸出軸）為7480千瓦，持續牽引力為46,400千牛，持續速度為58公里/小時，機車總效率為84%，功率因數為0.85。1972年9月，VL80ⱽ-661號機車配屬巴泰斯克機務段投入運用考核。1973年，經過改造後該機車增加了再生制軔功能，並在實際運用中獲得了良好的效果。1975年底，諾沃切爾卡斯克電力機車廠又生產了VL80ⱽ-1129、1130號機車，採用了經改良的ПЧФ-1УМ型變流器，每台變流器由60個Т-500-15型閘流體和16個ВЛ-200-12型二極體組成。1976年，諾沃切爾卡斯克電力機車廠在VL80ⱽ型電力機車的基礎上，試製了採用單馬達轉向架的VL83型電力機車。

現代化改造

從2004年起，俄羅斯鐵路和哈薩克斯坦鐵路的部分VL80ᵀ、VL80S型電力機車在大修時陸續由烏蘭烏德機車車輛修理廠（УУЛВРЗ）進行了現代化改造。除了車體結構和閘流體整流器仍繼續使用外，其他大部分電氣和控制設備均被更換，並採用了和2ES5K型電力機車相似的現代化裝置和設備布置。這些經過改造的機車分別被改稱為VL80ᵀᴷ、VL80SK型電力機車（ВЛ80ТК、ВЛ80СК），主要配屬於克拉斯諾亞爾斯克鐵路局、南烏拉爾鐵路局、西西伯利亞鐵路局等。