Надежность работы тягового электрооборудования, его габариты и масса определяются во многом построением схемы силовых цепей электропоезда. С целью повышения надежности оборудования, уменьшения габаритов и облегчения электроаппаратуры моторных вагонов электропоезда ЭР200 при проектировании схемы силовых цепей были применены следующие основные принципы, проверенные практикой отечественного и зарубежного электровагоностроения:

• использование одного комплекта электроаппаратуры для двух моторных вагонов, объединенных в моторную секцию;
• обеспечение разгона и поддержания требуемой скорости движения посредством двух соединений тяговых двигателей моторной секции и автоматического регулирования возбуждения при каждом соединении;
• использование одного и того же комплекта силового электрооборудования в тяговом режиме и в режиме электрического реостатного торможения;
• размещение электрооборудования с учетом требований по обеспечению наименьшего аэродинамического сопротивления вагонов.

С учетом дополнительных требований по комфорту в пассажирских салонах и необходимости увеличения из-за этого массы электрооборудования вспомогательных цепей применение одного комплекта электроаппаратуры для двух моторных вагонов позволило существенно снизить общую массу электрооборудования и решить благодаря этому одну из основных задач улучшения ходовых свойств электропоезда ЭР200 путем облегчения статической нагрузки на оси вагонов. Решение об использовании двух соединений электродвигателей в тяговом режиме было обусловлено необходимостью эксплуатировать первый электропоезд ЭР200 как на участках, подготовленных к высокоскоростному движению, т. е. преимущественно со скоростями 200—140 км/ч, так и на других участках линии, где пока еще ведется подготовка к такой эксплуатации и скорости движения ограничены значениями 100 км/ч и менее. Естественно, прохождение таких участков линии целесообразно выполнять на безреостатных позициях более низких скоростных характеристик, соответствующих последовательному соединению восьми тяговых двигателей двухвагонной секции. Кроме того, использование последовательного соединения для поддержания низкой скорости движения позволяет уменьшить число переключений силовой аппаратуры.

Обеспечение режима поддержания требуемой скорости движения путем автоматического регулирования возбуждения тяговых двигателей на любом соединении двигателей уменьшает число переключений в силовых цепях при прохождении участков с постоянной скоростью движения, способствуя увеличению срока службы силовой аппаратуры, а также снижает утомляемость машиниста (повышает безопасность движения), так как исключается необходимость частого переключения рукоятки контроллера машиниста.

Постройке электропоезда ЭР200 предшествовал анализ восемнадцати вариантов схемы силовых цепей, которые можно объединить в следующие три основные группы:

• Схемы с реостатным пуском, релейно-контакторным регулированием пуско-тормозных реостатов и возбуждения тяговых двигателей, электрическим рекуперативно-реостатным торможением с независимым возбуждением тяговых двигателей посредством статического возбудителя и с перегруппировкой тяговых двигателей;
• Схемы с реостатным пуском, релейно-контакторным регулированием пуско-тормозных реостатов и возбуждения тяговых двигателей, электрическим реостатным торможением с самовозбуждением тяговых двигателей;
• Схемы с реостатным пуском, плавным регулированием пускотормозных реостатов и возбуждения тяговых двигателей посредством управляемых полупроводниковых приборов в режимах тяги и электрического реостатного торможения с самовозбуждением тяговых двигателей.

Схемы первой группы с использованием рекуперативно-реостатного торможения в период проектирования электропоезда ЭР200 характеризовались большими габаритами и массой электрооборудования из-за необходимости установки в силовой цепи быстродействующих защитных контакторов, реакторов для уменьшения скорости нарастания тока двигателя в аварийных режимах, статических возбудителей (трансформаторов возбуждения и тиристорных регуляторов), высоковольтных реле и др. Эти схемы были отклонены еще и потому, что у электропоезда ЭР200, состоящего из 14 вагонов, тормозная мощность при рекуперативном торможении могла бы достичь 18 тыс. кВт и для ее потребления на участке электропитания, не оборудованном инверторными установками, должны были бы находиться в тяговом режиме не менее четырех других электровозов или электропоездов, что мало вероятно. В связи с этим более приемлемыми были признаны схемы второй и третьей групп с использованием электрического реостатного торможения с самовозбуждением тяговых двигателей. Проектную разработку схемы силовых цепей электропоезда выполняли в двух вариантах:

1. ) ступенчатый реостатный пуск и ступенчатое регулирование возбуждения с использованием в режиме самовозбуждения при реостатном торможении той же релейно-контакторной аппаратуры регулирования возбуждения тяговых двигателей, что и в режиме тяги для ослабления возбуждения. Пусковые реостаты выводятся ступенями посредством реостатного контроллера под управлением реле ускорения. На каждом соединении тяговых двигателей предусмотрено восемь ступеней ослабления возбуждения посредством сдвоенного контактора, специального контроллера с двусторонним вращением кулачкового вала и контакторными элементами, снабженными дугогашением, поскольку в процессе усиления возбуждения указанные контакторные элементы работают под током. Ступенчатое усиление возбуждения тяговых двигателей при реостатном торможении осуществляется этим же силовым контроллером;
2. ) ступенчатый реостатный пуск и ступенчатое регулирование возбуждения тяговых двигателей в режиме тяги и плавное импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей в режиме торможения.

В обоих вариантах были предусмотрены два соединения тяговых двигателей в тяговом режиме: последовательное восьми двигателей каждой пары моторных вагонов и параллельное двух силовых цепей по четыре тяговых двигателя в каждой цепи.

При сравнении вариантов предпочтение было отдано второму варианту, так как применение полупроводниковой тиристорной техники взамен релейно-контакторной способствует уменьшению массо-габаритных показателей и повышению надежности регулирующей электроаппаратуры.

При более подробной проработке схемы силовых цепей по второму варианту была поставлена задача использовать тиристорный регулятор для возбуждения тяговых двигателей не только в режиме электрического торможения, но и в тяговом режиме, а также для плавного межступенчатого регулирования сопротивления пускотормозного реостата. В результате был разработан универсальный тиристорный регулятор, обеспечивающий работу силовых цепей в режимах: плавного межступенчатого регулирования сопротивления пускового реостата при последовательном и параллельном соединениях тяговых двигателей; плавного двустороннего регулирования возбуждения в тяговом режиме при любом соединении тяговых двигателей; плавного двустороннего регулирования возбуждения тяговых двигателей в режиме реостатного торможения с самовозбуждением и в диапазоне скоростей 200—110 км/ч при постоянном сопротивлении тормозного реостата; плавного двустороннего регулирования возбуждения тяговых двигателей в диапазоне скоростей 110—10 км/ч со ступенчатым выводом тормозного реостата либо плавного межступенчатого регулирования сопротивления тормозного реостата при постоянном возбуждении тяговых двигателей в том же диапазоне скоростей.

Для переключения тиристорного регулятора из одного режима в другой использованы четыре контакторных элемента группового многопозиционного силового контроллера, один контактор тормозного переключателя и один индивидуальный контактор. Благодаря тому что при плавном межступенчатом импульсном регулировании пускового реостата представляется возможным увеличить ступени реостата и уменьшить число контакторных элементов реостатного контроллера, все переключения тиристорного регулятора и пуско-тормозных резисторов выполняют одним и тем же силовым контроллером.

Анализ принятой для рабочего проектирования схемы силовых цепей показал, что применение универсального тиристорного регулятора позволило получить стабильные пусковые и тормозные характеристики электропоезда при постоянных значениях пускового и тормозного токов во всем диапазоне скоростей и обеспечило возможность плавно менять уставку токов в широких пределах. Кроме того, появилась возможность без какого-либо усложнения схемы иметь очень низкую скорость окончания реостатного торможения, практически равную 10 км/ч, хотя из-за больших токов, возникающих в случае срыва регулирования на последней ступени тормозного реостата, скорость окончания реостатного торможения по результатам испытаний опытного поезда была повышена до 35 км/ч.

При техническом проектировании возникал также вопрос об использовании схемы силовых цепей с безреостатным пуском, но этот вариант сразу же отпал по следующим соображениям. Для высокоскоростного электропоезда характерным режимом работы являются повторные разгоны после прохода участков с пониженной скоростью. Эти разгоны выполняются при работе тяговых двигателей либо на естественной характеристике полного возбуждения, либо на безреостатных позициях ослабленного возбуждения. При этом цепи быстро переключаются в режим регулирования возбуждения тяговых двигателей и потери энергии в реостатах почти отсутствуют. Некоторые потери энергии имеют место при редких реостатных пусках после остановок поезда либо после прохода мест с очень низкой допустимой скоростью движения, что неизбежно в период освоения высокоскоростного движения на магистрали и в период реконструкции линии.

Как отмечалось, эти пусковые потери невелики благодаря применению последовательного соединения восьми двигателей моторной секции. Вместе с тем попытка дальнейшей минимизации пусковых потерь путем использования безреостатного пуска с импульсным регулированием взамен реостатного пуска с межступенчатым импульсным регулированием и универсальным тиристорным регулятором привела бы к увеличению массы моторных вагонов. Увеличились бы также габариты электрооборудования и возникли дополнительные трудности его размещения с учетом удовлетворения специальных требований по обеспечению необходимых аэродинамических показателей моторных вагонов ЭР200. Учитывая в расчетах фактические потери энергии в преобразовательной установке при импульсном регулировании, установили, что незначительная экономия электроэнергии не окупила бы дополнительные капитальные затраты при переходе к безреостатному пуску электропоезда ЭР200. Безусловно вариант схемы с безреостатным пуском мог быть конкурентоспособным при условии отказа от реостатного тормоза и замены его рекуперативным тормозом с использованием импульсного регулятора в режимах тяги и торможения. Однако по условию обеспечения устойчивого приема рекуперируемой энергии такой вариант возможен лишь в случае оборудования линии установками для инвертирования избыточной электроэнергии и передачи ее во внешнюю систему электропитания магистрали. Эти условия не обеспечивались в период постройки и опытной эксплуатации электропоезда ЭР200.

За исключением электрического торможения и способа регулирования тока и возбуждения тяговых двигателей схема силовых цепей электропоезда ЭР200 во многом сходна со схемой серийного пригородного электропоезда ЭР2, в которой также применены два соединения тяговых двигателей и переход с одного соединения на другое осуществляется мостовым способом. Общим для силовых схем обоих электропоездов является применение одного быстродействующего выключателя, девяти полюсов электропневматических контакторов, одного силового контроллера и одного реверсора. На моторном вагоне электропоезда ЭР200 дополнительно установлены тормозной переключатель, тиристорный регулятор, входной фильтр, применены малогабаритные обдуваемые резисторы пуско-тормозного реостата, мощность которого не накладывает никаких ограничений на режимы пуска и реостатного торможения.

К особенностям схемы силовых цепей ЭР200 можно отнести возможность независимой работы каждого моторного вагона двухвагонной секции при скоростях 120 км/ч и выше, что имеет существенное значение в случае аварийного отключения одного из вагонов моторной секции.

В схеме силовых цепей ЭР200 установлены два сдвоенных линейных контактора, разделенные контактором тормозного переключателя. При последовательном соединении тяговых двигателей работает только один контактор, а при параллельном — оба. Это позволило применить в качестве линейных серийные контакторы ПКУ-2 и не разрабатывать специальный контактор с продолжительным током 700—800 А. Такое решение позволило также иметь при параллельном соединении две независимые группы двигателей. Тяговые двигатели реверсируются путем переключения обмоток якорей, а не обмоток полюсов. Такой способ реверсирования позволил для обеспечения тормозного режима сократить число контакторов тормозного переключателя на 8 шт.

Эти и другие мероприятия обеспечили уменьшение общего количества коммутационной (переключающей) аппаратуры в схеме силовых цепей электропоезда ЭР200.