Электрическая передача тепловоза

Совокупность электромашинных и статических преобразователей, образующих систему для передачи энергии от теплового двигателя (дизеля) к движущим осям тепловоза, называется электрической передачей тепловоза.

Экономичная работа дизеля возможна лишь на установившихся режимах при полном использовании его мощности Nдиз, соответствующей каждому значению частоты вращения коленчатого вала nдиз. Условие экономичной работы дизеля в эксплуатации определяет основное требование, предъявляемое к электрической передаче тепловоза - постоянство мощности P = Nдиз*η=const (η - кпд электрической передачи тепловоза) в пределах одного значения nдиз во всем диапазоне изменения скорости движения локомотива. Графически это требование к электрической передаче выражается гиперболической зависимостью напряжения на зажимах тяговых электрических машин U от силы тока нагрузки I.

Первый тепловоз с электрической передачей в России был построен в 1922 г. на Балтийском судостроительном заводе по проекту Я. М. Гаккеля. В общем случае электрическая передача тепловоза состоит из тягового генератора (ТГ) с тяговым преобразователем напряжения (ВУ); тяговых электродвигателей (ТЭД) и автоматической системы регулирования напряжения ТГ. Вал ТГ жестко соединен с коленчатым валом дизеля. Мощность на зажимах ТГ Pг = mф*U*Iф*cosφ (mф, Uф и Iф - соответственно число фаз, напряжение и ток фазы генератора, соsφ — коэффициент мощности), а его напряжение вследствие малого значения падения напряжения на обмотках Uф=Еф, где Еф = cc*nдиз*Фг - эдс [се - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины, Фг = f(Iвг*Iг) - результирующий магнитный поток, определяемый током возбуждения ТГ Iвг и реакцией якоря]. Для управления магнитным потоком Фг и формирования гиперболической зависимости Uг=f(Iг), где Uг и Iг - значения выпрямленных тока и напряжения генератора предназначена автоматическая система регулирования напряжения ТГ, которая построена по принципам регулирования по отклонению напряжения генератора от заданного значения и по возмущениям (силе тока, частоте вращения вала дизеля и положению органов топливоподачи). Тепловозные ТГ имеют независимое возбуждение, что позволяет обеспечивать простые способы управления их возбуждением в зависимости от силы тока нагрузки (рис. 5.51).

В тяговом режиме все ТЭД имеют последовательное возбуждение, соединены параллельно и получают питание от ТГ (на опытных тепловозах применялись ТЭД с независимым возбуждением). Число ТЭД равно числу движущих осей, поэтому напряжение на зажимах ТЭД Uд = Uг, а сила тока Iд = Iг/m (m - число движущих осей тепловоза). Электромагнитный момент, создаваемый ТЭД и передаваемый через тяговый редуктор на ось колесной пары Мд = см*Iд*Фд (см - постоянная, зависящая от конструктивных параметров машины, Iд - сила тока якоря, Фд - магнитный поток двигателя); частота вращения его якоря, которая определяет скорость движения тепловоза:

Uд - напряжение на зажимах двигателя, rд - сопротивление обмоток двигателя). С учетом того, что для каждого значения nдиз мощность, передаваемая от ТГ к ТЭД остается примерно постоянной, во всем диапазоне изменения скорости движения тепловоза произведение Мд*nд=const.

Обратимость электрических машин позволяет использовать ТЭД в режиме торможения. При переходе в тормозной режим силовая схема электрической передачи разбирается, обмотки возбуждения ТЭД переключателем (на рис. не показан) отсоединяются от якорных цепей, соединяются в последовательную цепь и подключаются к выпрямительной установке. К якорным обмоткам ТЭД контактами тормозного переключателя ТП подсоединяются тормозные резисторы RТ. При торможении ТЭД работают в генераторном режиме, а энергия движения рассеивается на тормозных резисторах. Применяемые на тепловозах автоматические системы управления позволяют получать предельные и регулировочные характеристики тормозного режима, гарантирующие создание требуемых режимов движения тепловоза при нормальных условиях работы тяговых электрических машин.

Для расширения диапазона скоростей движения тепловоза без увеличения Uд применяется ступенчатое (на опытных тепловозах плавное) ослабление возбуждения ТЭД. При этом ОВ шунтируются резисторами RШ1 и RШ2 с помощью контактов ВШ1 и ВШ2, изменяя ток возбуждения ТЭД; это позволяет при одном значении Uд получить разные значения частоты вращения якоря двигателя:

где α - коэффициент ослабления возбуждения (как правило, в тепловозных передачах мощности используются три ступени ослабления возбуждения α = 1,0; 0,65; 0,35). В результате при изменении скорости V движения тепловоза от нуля до максимальной гиперболическая часть характеристики используется трижды (рис. 5.52). На первых сериях тепловозов с передачей постоянного тока для расширения диапазона скоростей движения тепловоза применялась схема переключения двигателей с последовательного на параллельное соединение.

Различают передачи постоянного тока, в которых применяются тяговые электрические машины постоянного тока; переменно-постоянного тока, содержащие тяговый синхронный генератор СГ, выпрямительную установку (тяговый преобразователь напряжения) ВУ и ТЭД постоянного тока, передачи переменного тока, в которых наряду с СГ и ВУ используются короткозамкнутые асинхронные тяговые двигатели с инверторами. Целесообразность использования передачи того или другого типа определяется мощностью его энергетической установки, а фактически, габаритами тяговых электрических машин и возможностью их размещения в габаритах тепловоза. Переход от передачи постоянного тока к передаче переменно-постоянного тока был вызван трудностями создания ТГ постоянного тока мощностью 2000 кВт с высоким кпд в допустимых габаритах. На тепловозах с энергетической установкой мощностью более 4000 кВт в секции эффективно использовать передачу переменного тока с тяговыми асинхронными двигателями (ТАД), относительные весогабаритные показатели которых приблизительно на 20% ниже ТЭД постоянного тока, а высокая жесткость характеристик асинхронных двигателей позволяет более полно использовать сцепной вес локомотива, повышая допустимые значения силы тяги.

В передачах постоянного тока обмотка независимого возбуждения генератора НГ получает питание от возбудителя, который также является генератором постоянного тока с независимым возбуждением (тепловозы серий ТЭ10, М62 и ТЭП60). Возбудитель имеет основную и дополнительную обмотки возбуждения. Основная обмотка возбуждения получает питание от блока автоматики, представляющего собой исполнительно-регулирующее устройство автоматической системы регулирования напряжения ТГ. Дополнительная обмотка является размагничивающей и включена на напряжение вспомогательного генератора; ее назначение - ограничение максимально допустимого значения тока генератора и возбуждение возбудителя в аварийном режиме (при неисправности блока БА) от синхронного подвозбудителя (однофазного генератора), являющегося источником питания цепей блока автоматики.

В 1970-е гг. широкое распространение получили передачи переменно-постоянного тока (тепловозы 2ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭП75, ТЭП80). Развитие полупроводниковой техники большой мощности, обладающей высоким быстродействием и кпд при относительно малых весогабаритных показателях, позволило отказаться от возбудителя, который был заменен тиристорным управляемым выпрямителем УВВ, получающем питание от синхронного подвозбудителя СВ. Синхронный генератор имеет две статорные трехфазные обмотки, соединенные по схеме «звезда», каждая из которых включена на свой мост ВУ. Мосты в ВУ соединяются, как правило, параллельно. Выпрямленное напряжение через контакты поездных контакторов подается на зажимы ТЭД. Изменение направления движения тепловоза осуществляется контактами реверсора (на рис. не показан), общего для всех ТЭД. При переключении реверсора изменяется направление тока в обмотках возбуждения ОВ ТЭД, а соответственно и направление вращения якорей ТЭД.

Назначение БА передач постоянного тока и переменно-постоянного тока - регулирование возбуждения тягового генератора, т. е. изменение его тока возбуждения таким образом, чтобы для каждого значения nдиз выполнялось условие Фг*Iг=сопst. В блок автоматики поступают сигналы от блока задания возбуждения БЗВ, формирующего уставки каналов регулирования на каждой позиции контроллера К пропорционально nдиз; датчиков тока ДТ и напряжения ДН, в результате чего осуществляетсярегулирование возбуждения ТГ по току нагрузки ТЭД и ограничение силы тока и напряжения тяговых электрических машин; от индуктивного датчика ИД, обеспечивающего полное использование свободной мощности дизеля (согласование мощности Д и ТГ) за счет управления возбуждением по относительному перемещению органов топливной системы дизеля (реек топливных насосов hр) объединенного регулятора частоты вращения вала дизеля РЧВ; стабилизирующего трансформатора (узла коррекции - на рис. не показан), повышающего устойчивость системы на переходных режимах. Для снижения вероятности возникновения боксования колесных пар тепловоза управление возбуждением генератора осуществляется по максимальному току ТЭД (Iд)mах.

На тепловозах с передачей постоянного тока блок автоматики состоит из селективного узла и однофазного магнитного усилителя с внутренней обратной связью. В цепь рабочей обмотки магнитного усилителя включена обмотка независимого возбуждения возбудителя. Магнитный усилитель имеет две намагничивающие обмотки управления, питающиеся соответственно от БЗВ и РВЧ, размагничивающую обмотку, ток в которую поступает от селективного узла, и обмотку, включенную в цепь стабилизирующего трансформатора. Селективный узел имеет один канал регулирования и формирует обратную зависимость Uг = f{(Iд)mах} по поступающим на его вход сигналам от ДН и ДТ.

На тепловозах с передачами переменно-постоянного тока БА содержит селективный узел с тремя каналами регулирования (по напряжению, мощности и току) и блок управления выпрямителем, назначение которого - управление длительностью включения тиристоров УВВ в зависимости от выходного сигнала селективного узла. В селективном узле формируются сигналы уставок и сигналы обратной связи по току, напряжению и положению органов системы топливоподачи дизеля. Сигнал рассогласования поступает в блок управления выпрямителем, который соответствующим образом изменяет угол открытия тиристоров УВВ. Уставки (сигналы задания) в селективном узле изменяются пропорционально nдиз, что обеспечивает формирование требуемых характеристик передачи при любой мощности дизеля.

На российских магистральных тепловозах, выпускавшихся в 1950-е гг. (серий ТЭ1, ТЭЗ) с передачами постоянного тока, специальные блоки автоматической системы регулирования напряжения отсутствовали, а близкая к гиперболической характеристика Uг = f(Iг) формировалась путем использования нелинейности намагничивающих характеристик электрических машин (возбудитель с расщепленными полюсами). Возбудитель имел две обмотки возбуждения: насыщающую независимую, ток в которой пропорционален частоте вращения вала дизеля, и размагничивающую дифференциальную, включенную в цепь тока нагрузки генератора Iг. В результате на каждой позиции значение Uг нелинейно уменьшалось с увеличением Iг. При всей простоте этой разомкнутой системы регулирования основным ее недостатком была невозможность использования полной мощности дизеля за счет значительного отклонения характеристики Uг = f(Iг) от гиперболической.

С конца 1990-х гг. на тепловозах активно внедряются бортовые компьютеры, предназначенные в том числе и для создания алгоритма управления возбуждением генератора, при котором полностью используется свободная мощность дизеля и наилучшим образом реализуются условия тяги по сцеплению (тепловозы серии ТЭРА). Регулирование напряжения СГ осуществляется по сигналам задания и сигналам обратных связей (току и напряжению СГ, скорости движения тепловоза, частоте вращения колесных пар), характеризующих фактические параметры состояния тягового оборудования, с учетом их приоритетов. В частности, для улучшения тяговых свойств тепловоза при любых условиях эксплуатации регулирование напряжения СГ осуществляется с учетом разброса значений токов ТЭД, частоты вращения колесных пар и скорости локомотива, т. е. управление силой тяги выполняется по допустимому значению проскальзывания колесных пар.

Во вновь проектируемых передачах переменного тока предусматривается поосное регулирование частоты вращения ТАД, что позволяет более полно использовать тяговые свойства локомотива, особенно в режиме трогания. Каждый тяговый двигатель имеет свой полупроводниковый преобразователь, состоящий из выпрямителя и инвертора. Система управления осуществляет регулирование частоты и амплитуды выходного напряжения инвертора в зависимости от мощности энергетической установки и скорости движения тепловоза.

В электрических передачах тепловозов предусмотрены системы защиты от боксования (в режиме тяги) и юза (в режиме электрического торможения). Для контроля и диагностирования оборудования тепловозов при- меняются микропроцессорные системы.