Реостатно-контакторная система управления (сокр. РКСУ) — комплекс электромеханического оборудования, предназначенного для регулирования тока в обмотках тяговых электродвигателей (ТЭД) подвижного состава метрополитена, трамвая, троллейбуса и железных дорог, а также в приводах подъемных кранов и прокатных станов.

История Реостатно-контакторная система управления является долгожителем. Она появилась ещё в конце XIX века, когда мощность электродвигателей постоянного тока (сначала на крупных станках, подъемных машинах и судах с электропередачей, а позже — на подвижном составе железных дорог) перевалила за мегаватт, а питающие напряжения перешли отметку в 1 киловольт. Столь мощные двигатели коммутировать непосредственной системой управления стало уже невозможно. В этот же период появился и автоматизированный электропривод постоянного тока, прежде всего в лифтах, где также нашла применение РКСУ.

Первые реализации РКСУ представляли собой по сути увеличенный в размерах контроллер НСУ, вал которого приводился в движение не рукой оператора, а серводвигателем (электрическим, пневматическим). Такие РКСУ называются системами с жесткой однопрограммной коммутацией. Широко применялись практически до конца XX века на трамваях, метровагонах, пассажирских электровозах (например, ЧС1, ЧС2). Параллельно начали развиваться и более сложные системы многопрограммные РКСУ, в которых переключения осуществляются индивидуальными контакторами, управляемые релейным автоматом по командам оператора. Такие системы допускают большую гибкость в управлении тяговым электроприводом и позволяют вводить элементы обратной связи, повышающие степень автоматизации машины (например, реле боксования, элементы автоведения). РКСУ с индивидуальными контакторами может иметь микропроцессорное управление (например, на электровозе 2ЭС6). Часть контакторов могут быть заменены электронными коммутирующими устройствами: диодами и тиристорами в схемах изменения соединения двигателей, низкочастотными транзисторами в схемах вывода реостатов и ослабления возбуждения. Благодаря этим усовершенствованиям РКСУ применяется на подвижном составе уже более века.

Принцип действия

Существуют три метода управления коллекторным электродвигателем — изменение напряжения на якоре, изменение сопротивления цепи якоря, изменение потока возбуждения. Обычно на подвижном составе используются два, иногда три способа.

Переключение соединений Имея несколько двигателей, можно регулировать напряжение на них, изменяя схему соединения. Если при напряжении в контактной сети 1 киловольт соединить два двигателя последовательно, то на каждый придётся по 500 вольт, если же параллельно, то напряжение удвоится и составит 1 кВ, следовательно, увеличится и скорость транспортного средства. Такой метод экономичен (не используется никаких дополнительных аппаратов, кроме выполняющих переключение контакторов) и поэтому применяется в основном на электровозах, где установлено много мощных двигателей. Например, на электровозе ЧС7, предназначенном для работы на линиях, электрифицированных по системе с напряжением 3 кВ, установлено 8 тяговых двигателей на номинальное напряжение 1,5 кВ каждый. Возможны три схемы их соединения:

последовательное соединение — все восемь двигателей последовательно, напряжение на каждом составляет вольт; последовательно-параллельное (оно же сериесно-параллельное,  — «последовательность») — две параллельных цепи по четыре последовательно соединённых двигателя в каждой, на каждом двигателе вольт; параллельное соединение (параллельным называется условно, ибо настоящее параллельное подключение двигателей на напряжение 1,5 кВ к сети на 3 кВ невозможно) — четыре цепи по два последовательно соединённых двигателя, на каждом двигателе вольт.

Переключение соединений необходимо переводить без отключения двигателей от контактной сети, поскольку если двигатели сначала отключить, затем изменить их схему соединения, а потом снова включить, то тяга сначала упадет до нуля, а потом резко возрастет, что может привести к разрыву поезда или сильным толчкам. Поэтому применяют последовательное переключение двигателей. Сначала в цепь ТЭД, соединенных сериесно на ходовой позиции, вновь включают реостаты (размыкаются контакторы КР1 и КР2). Тяга снижается, но не падает до нуля. Затем группу двигателей М1 и М2 контактором параллельного соединения КП1 подключают в обход группы двигателей М3 и М4 сразу же на второй проводник (рельсы), но контактор сериесного соединения КС ещё не отключен. При этом двигатели М3 и М4 оказываются закороченными на реостат R2 и начинают переходить в генераторный режим. Тяга двигателей М1 и М2 возрастает, а М3 и М4 начинают несколько тормозить движение, но так как переход в генераторный режим требует определённого времени — влияние этого эффекта невелико. Затем контактор КС выключается, а КП2 включается и группа двигателей М3 и М4 получает питание от контактной сети. Переход завершен. Производится вывод реостатов и переход на ходовую позицию при параллельном соединении.

Если параллельно контактору КС включить мощный диод, то закорачивать тяговые двигатели не потребуется. Тогда при переходе сначала будет разомкнут контактор КС, но ток будет продолжать течь через диод. Затем можно одновременно замыкать контакторы КП1 и КП2. Обе группы двигателей сразу же перейдут на параллельное соединение, а диод, включенный обратной полярностью — закроется. Такой способ называется вентильным переходом и позволяет переключать соединения двигателей без падения силы тяги. Вентильный переход применяется на поздних советских электровозах с РКСУ ВЛ11 и ВЛ15, а электропоездах и метровагонах 1980-х — начала 1990-х годов выпуска.

В странах СНГ на трамваях переключение двигателей с 1960-х годов не применяется, поскольку переключение схемы соединения на столь легкой рельсовой машине как трамвай вызывает ощутимые толчки. Кроме того трамваи, начиная с 1960-х годов перестали работать с прицепными вагонами (применяется система многих единиц) и столь широкий диапазон изменения тяги и скорости вращения двигателей стал не нужен. К переключению цепей двигателей в трамваях вернулись с приходом контакторно-транзисторной системы управления (РКСУ+ или КТСУ), в трамвае 71-619КТ с КТСУ от фирмы «Канопус» используются две схемы подключения двигателей: параллельно-последовательная и параллельная, значительных толчков при переключении схем удалось избежать благодаря микропроцессорному управлению и независимому управлению возбуждением двигателей. Два варианта соединения двигателей применены на вагонах метрополитена Е и 81-717/714 — имеются две группы по два последовательно соединённых двигателя в каждой, в позиции ПС переключателя положений группы соединяются последовательно (номинальное напряжение на токоприёмнике 750 В, на группе 375 В, на двигателе 187,5 В), в позиции ПП параллельно (750 В на группу, 375 В на двигатель). На электровозе ВЛ10К Челябинского завода (ЧЭРЗ), работающем в три секции, а также на ВЛ15 возможны четыре соединения: сериесное маневровое на ВЛ15 — 12 двигателей в цепи ( вольт на двигатель); сериесное С на ВЛ15 и на ВЛ10К — 8 двигателей в цепи ( вольт на двигатель); СП на ВЛ15 и на ВЛ10К — 4 двигателя в цепи ( вольт на двигатель); параллельное на ВЛ15 и на ВЛ10К — 2 двигателя (одна пара) в цепи ( вольт на двигатель).

Ввод реостата Второй метод регулирования — изменение сопротивления якорной цепи — осуществляется вводом в цепь якоря балластных сопротивлений, объединённых в пусковой или, в случае, если на транспортном средстве имеется электрическое торможение, пуско-тормозной реостат. Реостат может быть выполнен как отдельными резисторами, которые переключаются с помощью контакторов, так и единым аппаратом. Такой аппарат установлен на трамвае ČKD Tatra T3, состоит из 99 расположенных по кругу медных контактов (пальцев) с припаянными к ним М-образными резисторами и скользящего по контактам медного ролика, приводимого в движение электродвигателем.

Ввиду того, что при реостатном пуске энергия рассеивается на реостате согласно формуле , где  — ток двигателя,  — сопротивление реостата,  — рассеиваемая мощность, этот вид пуска считается неэкономичным. Кроме того, нагрев резисторов может привести к их перегоранию. Поэтому длительная езда транспортного средства на реостатных позициях реостатного контроллера не допускается, а часто предусмотрен ещё и активный обдув сопротивлений — например, специальным вентилятором обдуваются ускоритель трамвая Tatra T3, реостаты электровозов ЧС7 и ВЛ82, а на троллейбусах ЗиУ-9 и БТЗ-5276-04 охладивший реостаты воздух в зимнее время направляется заслонкой в салон для отопления, в летнее выбрасывается за борт. На многих электровозах вентилятор, обдувающий реостаты, подключён к отпайке реостата, таким образом автоматически меняется интенсивность обдува в зависимости от тока через реостат.

Регулирование возбуждения Третий метод регулирования — ослабление потока возбуждения двигателя. Число оборотов двигателя постоянного тока равно , поэтому при уменьшении число оборотов растёт. Так как на электротранспорте возбуждение двигателей чаще всего последовательное, то для ослабления потока параллельно обмотке возбуждения подключаются резисторы или иные шунтирующие устройства — часть тока проходит по ним в обход обмотки возбуждения, снижается, противоЭДС якоря падает, якорный ток и частота вращения растут. Из-за ухудшения коммутации (повышения искрения) на коллекторе при работе на ослабленном возбуждении, особенно на переходных режимах, этот способ регулирования используется только тогда, когда диапазон других методов регулирования уже закончился — реостат выведен, а для перехода на следующее соединение слишком мала скорость либо соединение последнее. Процент тока, проходящего по обмотке возбуждения, называется коэффициентом возбуждения: если 36 % тока проходит по обмотке, а 64 % по шунтам, то это называется ослаблением возбуждения до 36 %.

На электровагонах метрополитена типа Е, электропоездах ЭР2, электровозах ослабление возбуждения (ОВ; старый термин — ослабление поля, ОП) используется на всех соединениях. На электровагонах 81-717/714 ослабление используется лишь на параллельном соединении, аналогично на электропоездах переменного тока ЭР9 — только на согласном включении обмоток трансформатора. В свою очередь, на электровозах ВЛ10 и некоторых других на параллельном соединении, когда коммутация и так неудовлетворительная из-за предельного напряжения на коллекторах (1,5 кВ и выше), из-за упомянутого ухудшения коммутации разрешено использование лишь двух ступеней ОВ из четырёх. На трамвайных вагонах, например, Tatra T3, КТМ-5 и 71-608, электропоездах ЭР2Т, ЭД4, на которых соединение ТЭД постоянное последовательное, и имеющих лишь один тяговый двигатель троллейбусах ослабление возбуждения вообще является единственным методом экономичного регулирования скорости.

На электровозах, имеющих независимое или смешанное возбуждение ТЭД (например, 2ЭС6), используется также режим усиленного возбуждения (когда ток возбуждения больше тока якоря), на котором за счёт повышенного двигатель не имеет склонности к разгону — этим почти исключается боксование. Кроме того, при разгоне в режиме усиленного возбуждения быстрее растёт противоЭДС двигателей и быстрее спадает ток, что позволяет вывести реостат на меньшей скорости, сэкономив электроэнергию. Также при бросках якорного тока в момент включения контакторов система управления скачкообразно подаёт дополнительное возбуждение, снижая якорный ток и тем самым нивелируя скачок силы тяги в момент набора очередной позиции.

Выбор направления движения