Назначение передачи. Тепловоз, у которого коленчатый вал дизеля непосредственно соединен с осями движущих колесных пар (так называемый тепловоз непосредственного действия), практически неработоспособен. Без дополнительных устройств такой локомотив не сможет сдвинуться с места и следовать с заданной скоростью по перегону. Это объясняется тем, что давать нагрузку на дизель можно только при частоте вращения коленчатого вала, равной примерно 1/3 номинального се значения; мощность дизеля увеличивается при увеличении частоты вращения коленчатого вала, наконец, конструкция дизеля не допускает больших перегрузок.
Вращающий момент, создаваемый дизелем, почти не зависит от частоты вращения его вала (при постоянной подаче топлива). Сила тяги 1"к тепловоза непосредственного действия также не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Тяговая характеристика (зависимость развиваемой силы тяги от скорости) такого тепловоза-линия 1 (рис. 1.1) не обеспечивает трогание и разгон поезда. На тепловозе необходимо устанавливать дополнительный двигатель для разгона. Дизель с полной нагрузкой сможет работать только на расчетном подъеме, а на более легких участках профиля он будет недогружен. Идеальная тяговая характеристика тепловоза должна иметь зависимость в виде гиперболы (кривая 2 на рис. 1.1), при которой обеспечивается изменение силы тяги обратно пропорционально скорости движения. Для получения характеристики, соответствующей наиболее эффективной работе тепловоза, необходимо устанавливать комплекс устройств, предназначенных для передачи мощности от коленчатого вала дизеля к осям движущих колесных пар, называемый передачей мощности. Передача мощности преобразует вращающий момент и частоту вращения вала силовой установки в изменяющиеся по заданному закону вращающий момент и частоту вращения осей колесных пар.
Требования, предъявляемые к передаче мощности. Передача тепловоза должна обеспечить: силу тяги в момент трогания и разгона поезда, намного превышающую по значению силу тяги при номинальном режиме; использование полной мощности дизеля во всем диапазоне скоростей движения локомотива (т. е. режим дизеля может сохраняться неизменным при различных условиях движения
Рис. 1.1. Зависимость силы тяги рк тепловоза от скорости ипоезда); пуск дизеля и работу его на холостом ходу; изменение направления движения тепловоза при постоянном направлении вращения вала дизеля.
Передача мощности должна обладать высокой надежностью и долговечностью, наименьшими размерами, массой и стоимостью, высоким к. п. д. на всех режимах работы, минимальными затратами на обслуживание и ремонт. На тепловозах применяются три типа передач мощности: электрическая, гидравлическая и механическая. Наибольшее распространение получила электрическая передача, которая по многим показателям наиболее эффективна. Для современных электрических передач характерно увеличение мощности при сохранении почти тех же габаритных размеров и уменьшении удельных масс. На тепловозах применяют электрические передачи мощности постоянного, переменно-постоянного и переменного тока. Преимущественное распространение в мировой практике имеет передача на постоянном токе. Коэффициент полезного действия электрической передачи при продолжительном режиме 84-86 %. В связи с увеличением мощности тепловозов получает широкое распространение передача переменно-постоянного тока.
Электрическая передача постоянного тока состоит из тягового генератора Г, приводимого во вращение валом дизеля Д, тяговых электродвигателей 1, 2, расположенных на движущих колесных парах тепловоза, системы возбуждения генератора СВГ (рис. 1.2, а), а также ряда вспомогательных машин и аппаратов, не указанных на рисунке. {Электрическая передача позволяет автоматически приспосабливаться к условиям движения поезда. Сила тяги, создаваемая тяговыми электродвигателями, увеличивается при возрастании сопротивления движению и уменьшении скорости и, наоборот, уменьшается при падении сопротивления движению и увеличении скорости. Особенностью электрической передачи является незави-
Рис. 1.2. Схемы передачи мощности: а - на постоянном токе; б-на переменно-постоянном; в - на переменном токесимость силы тяги тепловоза от вращающего момента и мощности дизеля, т. е. можно получить большую силу тяги при малой мощности дизеля и малую силу тяги при его большой мощности.
Сила тяги у тепловоза с электрической передачей (при данной мощности дизеля) ограничивается нагреванием тяговых электрических машин, которые допускают большую кратковременную перегрузку (генераторы - в 1,5 раза, а электродвигатели - в 2 раза). Перегрузку используют во время трогания поезда и преодоления крутых подъемов небольшой длины. Для того чтобы мощность дизеля поддерживалась постоянной, сила тяги должна автоматически изменяться обратно пропорционально скорости, т. е. при увеличении силы тяги, например, в два раза скорость тепловоза должна уменьшаться также в два раза.
Дизель-генераторный агрегат и тяговые электродвигатели тепловоза конструктивно между собой не связаны, что дает возможность создать наиболее простую систему передачи энергии на движущие колеса. Электрическая передача обеспечивает сочлененную работу нескольких секций (по системе многих единиц), управляемых с одного поста. Недостатки электрической передачи - большая масса, высокая стоимость и повышенный расход цветных металлов по сравнению с другими видами передач. Тепловозы с этим видом передачи имеют сравнительно высокий к. п. д. на ободе колес (28- 30%), тяговую характеристику, приближающуюся к идеальной, плавное трогание с места, просты и надежны в управлении.
Секционная мощность тепловозов, работающих на железных дорогах СССР за послевоенные годы, увеличилась с 736 до 2210 кВт, но для ряда направлений уже сейчас требуется большая мощность. Создание более мощных тепловозов с электрической передачей постоянного тока вызывает много затруднений, главное из которых - неудовлетворительная коммутация тяговых генераторов постоянного тока. Практически тяговые генераторы постоянного тока при частоте вращения 1000 об/мин и номинальной мощности 2000 кВт с устойчивой коммутацией нельзя разместить в отведенные габаритные размеры для них на тепловозе. Поэтому применяют передачу переменно-постоянного тока, в которой вместо генератора постоянного тока устанавливается синхронный генератор и выпрямительная установка. Тяговые синхронные генераторы сокращают затраты меди и высоколегированной электротехнической стали, практически снимают ограничение по частоте вращения. Синхронные генераторы более надежны в работе и требуют меньшего ухода в эксплуатации из-за отсутствия щеточно-коллекторного аппарата^} Синхронные генераторы на тепловозах не применялись, так как*не было надежных малогабаритных выпрямительных установок.
Развитие силовой полупроводниковой техники дало возможность создать выпрямители, отвечающие условиям эксплуатации тепловозов.
В СССР первые тепловозы типа ТЭ109 с передачей переменно-постоянного тока были выпущены в 1967 г. Передачу переменно-постоянного тока имеют магистральные тепловозы и мощные маневровые тепловозы. При передаче переменно-постоянного тока (рис. 1.2, б) дизель вращает вал трехфазного синхронного генератора СГ, напряжение которого подводится к выпрямительной установке ВУ и после выпрямления к электродвигателям постоянного тока 1, 2. Применение тяговых электродвигателей постоянного тока обычного исполнения обусловливает низкий коэффициент пульсации напряжения и его высокую частоту. Для снижения пульсаций генератор имеет две обмотки статора, соединенные в звезду со сдвигом на 30° эл*, а выпрямительная установка выполнена с двумя параллельными мостами. Такая схема уменьшает пульсацию напряжения в 2 3 раза и увеличивает примерно в 2 раза частоту.
На тепловозах с электрической передачей постоянного тока применяют электрический пуск дизеля. Для этого на главных полюсах тяговых генераторов укладывают, кроме обмотки независимого возбуждения, пусковую обмотку, получающую питание от аккумуляторной батареи только во время пуска дизеля. При пуске тяговый генератор работает в режиме двигателя с последовательным возбуждением и приводит во вращение коленчатый вал дизеля. В передачах переменно-постоянного или переменного тока для пуска дизеля используют стартер-гелераторы.
В электрической передаче переменного тока используют в качестве тягового генератора синхронный генератор, а в качестве тяговых электродвигателей - асинхронные короткозамкнутыс двигатели. Такие двигатели при одинаковых параметрах с двигателями постоянного тока имеют меньшие габаритные размеры, в 1,2--1,4 раза легче, в 2-3 раза дешевле, практически не имеют ограничений по силе тяги и току и обладают большой надежностью в эксплуатации из-за отсутствия щеточно-коллекторного аппарата Для условий тяги регулирование частоты вращения ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя может производиться изменением частоты тока, подводимого к двигателю, или числа пар полюсов (ступенчатое управление).
Переменное напряжение тягового синхронного генератора СГ подается на выпрямительную установку ВУ (рис. 1.2, в), выпрямленное напряжение подводится к тиристорному инвертору И, где оно преобразуется в неременный ток регулируемой частоты, которым питаются асинхронные двигатели А. \ Передача переменного тока обеспечивает более простой переход от режима тяги к электрическому торможению. Такой тип передачи имеет опытный тепловоз ТЭ120.
* 1°эл = 1/360 части периода переменного тока. На окружности якоря ему соответствует 1/р геометрических градусов, где р число пар полюсов. При \>р - 12; ЗЙ1 эл -=5 ".
⇐ | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Принципы регулирования напряжения тяговых генераторов и управления тяговыми электродвигателями | ⇒