2130
правок
Изменения
Перейти к навигации
Перейти к поиску
Строка 27:
Строка 27: + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Строка 76:
Строка 101: − Аналогичные этапы развития характерны и для электровозов переменного тока (рис. 5.21,б). Электрическая тяга переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) была освоена значительно позже, чем система постоянного тока. Массовая электрификация на переменном токе 25 кВ 50 Гц и соответственно применение электровозов переменного тока стали возможными только после освоения выпрямителей – сначала на базе ртутных вентилей (игнитроны), а потом на основе полупроводниковых кремниевых диодов. Это определило классическую схему электрической части первых электровозов переменного тока с трансформатором ТР (понижающим напряжение контактной сети до 1-1,6 кВ), диодным выпрямителем В, сглаживающим реактором СР и тяговыми электродвигателями постоянного тока. Однако эти двигатели работали в условиях значительных пульсаций выпрямленного тока (до 20%), специальные конструктивные меры были направлены на приспособление этих двигателей к работе в условиях наличия гармоники 100 Гц в выпрямленном токе (двигатели пульсирующего тока). − − Существенным недостатком электровозов ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т; ВЛ80С, ЧС4, ЧС4Т, ЧС8 является невозможность реализации режима рекуперативного торможения. Регулирование напряжения на тяговых электродвигателях при помощи переключения отпаек обмоток трансформатора ТР требовало значительного числа выводов вторичной (электровозы ВЛ) или первичной (электровозы ЧС) обмотки. Переход с одной отпайки на другую без разрыва электрической цепи обусловливало применение специальных переходных реакторов. Эти недостатки были устранены при использовании в выпрямительной установке тиристоров, т.е. управляемого выпрямителя, который позволил реализовать выпрямительный режим с плавным изменением угла отпирания тиристоров, а при рекуперации – режим зависимого инвертора с плавным регулированием тока рекуперации. Одновременно с этим постоянный ток на выходе тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме, преобразуется в однофазный переменный ток, что позволяет трансформировать его имеющимся на электровозе трансформатором ТР и передавать энергию рекуперации в контактную сеть. Преобразовательная установка получила название выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП; применяется на грузовых электровозах (ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65) и пассажирских (ЭП1). При условии, что регулирование осуществляется изменением угла отпирания тиристоров ВИП, нет необходимости выполнять трансформатор ТР с большим числом выводов, достаточно четырех секций вторичной обмотки для реализации 4-зонного регулирования выпрямленного напряжения. − − На третьем этапе развития произошел переход на бесколлекторные тяговые электродвигатели. Первые попытки использования асинхронных тяговых двигателей относятся к нач. 19 в. В 1904 г. проф. Кальман Кандо (главный инженер завода ГАНЦ, г. Будапешт) реализовал на севере Италии на горной линии с уклонами до 28% систему электрической тяги, при которой электровоз получал питание по двум контактным проводам (фазы А, В) и по ходовым рельсам (фаза С), что позволило передать на двигатель 3-фазное переменное напряжение. Электрическая часть электровоза состояла из трансформатора и асинхронных тяговых двигателей, которые на вредном спуске автоматически переходили в режим генератора (рекуперативного торможения). Частота питания электродвигателей оставалась постоянной и равной 50 Гц, а регулирование пусковых режимов двигателей осуществлялось при помощи водяных реостатов. Впоследствии такая система довольно широко распространилась на ж. д. Италии, где электрическая тяга применялась в тяжелых условиях горных участков с подъемами на альпийские перевалы. Электровозы отличались простотой и высокой надежностью конструкции, но двухпроводная контактная сеть оказалась слишком сложной, особенно на воздушных стрелках в горловинах станций. Однако была доказана возможность использования асинхронных двигателей. − − В 1928 г. проф. К. Кандо реализовал систему электрической тяги однофазного переменного тока 15 кВ 50 Гц на ж. д. Венгрии. На электровозе был установлен электромашинный фазорасщепитель, который преобразовывал однофазное напряжение в симметричное 3-фазное для питания асинхронных тяговых двигателей. − − С появлением управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров – стало возможно реализовать преобразовательную установку с плавным регулированием как напряжения, так и частоты, что существенно улучшило регулировочные качества тягового привода электровоза. Такой принцип был впервые использован на электровозе ВЛ80А, на базе которого был потом разработан 12-осный электровоз ВЛ86. − − Одновременно с работами над тяговым приводом проводились исследования по применению на электровозах вентильных электродвигателей, относящихся к классу синхронных электрических машин, т. е. частота тока в сети, от которой они получают питание, должна соответствовать частоте вращения ротора двигателя. Идея использования такого двигателя для тяги была высказана проф. Б. Н. Тихменевым в 30-е гг., но практически первый электровоз с вентильными двигателями ВЛ80В был создан только после освоения производства тиристоров. Тяговый привод с вентильными двигателями установлен на скоростном электровозе ЭП200, а также на ряде зарубежных электровозов переменного тока. Принципиальной разницы между электровозами с асинхронными и вентильными двигателями нет – в обоих случаях использован простой по конструкции бесколлекторный двигатель; примерно одинаковые преобразовательные установки для питания и регулирования этих двигателей. И те и другие электровозы являются перспективными, но пока их производство значительно более дорогое, чем электровозов с двигателями пульсирующего тока. В 90-е гг. разработан электровоз ЭШО, который является двухсистемным (рис. 5.22), может работать как от контактной сети постоянного тока 3 кВ, так и от сети переменного тока 25 кВ на частоте 50 Гц. Предусмотрены варианты питания только постоянным или только переменным током. − − [[Файл:522.jpg|center]] − − Мощность электровозов определяется числом их осей, а каждая ось имеет обычно предельную силу тяги, ограничиваемую условиями сцепления колес с рельсами. Предельная сила тяги оси равна осевой нагрузке (например, на российских электровозах обычно до 25 т на ось), умноженной на коэффициент сцепления, который для режима трогания электровоза может быть принят равным 0,3 (рис. 5.23). − − [[Файл:523.jpg|center]] − − Таким образом, предельная сила тяги оси при трогании составляет 75 кН, что для 8-осного электровоза соответствует 600 кН, а для 12-осного – 900 кН. При повышении скорости сила тяги должна постепенно снижаться, так как при этом снижается коэффициент сцепления. Затем тяговая характеристика электровоза соответствует примерно гиперболе, т. е. постоянству мощности. Особое значение имеет мощность в точке выхода на естественную характеристику, т. е. при пересечении кривой ограничения по сцеплению с естественной тяговой характеристикой примерно постоянной мощности: − Fк*v = const. У грузового электровоза с поездом критического веса эта мощность на руководящем подъеме соответствует расчетному длительному режиму (точка а). У пассажирского электровоза расчетная точка (б) номинального длительного режима обычно значительно смещена в сторону высоких скоростей. − − Электровозы двухсистемного питания используются для обслуживания движения на стыке ж. д. с различными электрическими системами, такие электровозы имеют обычно для каждой из систем отдельные токоприемники, что вызвано спецификой конструктивного исполнения контактных подвесок постоянного и переменного тока (первые более тяжелые и требуют токоприемника с нажатием до 20-25 Н, вторые более легкие и для них достаточно нажатия токоприемника 12-15 Н). В грузовом движении широко применяют 8-осные двухсистемные электровозы (ВЛ82 и ВЛ82М). На этих электровозах установлены нерегулируемые трансформаторы, что существенно снижает их массу; для регулирования тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения в обеих системах электропитания применяются реостаты. Наиболее совершенными двухсистемными электровозами являются электровозы ЭП10 с асинхронными двигателями. − − Кроме рассмотренных электровозов постоянного и переменного тока пониженной частоты 15 кВ 1б2/з Гц, за рубежом (Германия, Австрия, Швейцария, Швеция, Норвегия) в эксплуатации находятся электровозы с коллекторными тяговыми двигателями однофазного переменного тока. Фактически такой двигатель является электрической машиной постоянного тока, приспособленной к работе на переменном токе пониженной частоты, т. к. именно при условии понижения частоты может быть обеспечено их надежное функционирование. Такой электровоз имеет достаточно простую электрическую часть, содержащую трансформатор, вторичные обмотки которого непосредственно (без выпрямителей) питают тяговые электродвигатели. Регулирование двигателей осуществляется переключением отпаек трансформатора – обычно со стороны первичных обмоток. С 90-х гг. за рубежом в эксплуатации в этой системе находится значительное число электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, схема питания которых соответствует схеме, приведенной на рис. 5.21,6 (для этапа 3). При этом система пониженной частоты, в которой отсутствуют выпрямители, становится ненужной – электровоз становится аналогичным электровозу, работающему на переменном токе 25 кВ и частоте 50 Гц. Однако в Западной Европе, где применяется большое число различных систем электрической тяги (постоянный ток 3 и 1,5 кВ, а в Великобритании также 0,75 кВ с контактным рельсом, переменный ток 25 кВ частотой 50 Гц и 15 кВ частотой 1б2/3 Гц), в локомотивном парке предусматриваются 2-, 3-, и 4-системные электровозы, которые обеспечивают безостановочное движение на стыке разных систем. При использовании асинхронных тяговых двигателей исполнение многосистемных электровозов существенно упрощается.
Нет описания правки
Электровозы, имеющие обозначение ВЛ, были предназначены для грузового движения, хотя довольно часто используются и для тяги пассажирских поездов. Конструктивная скорость электровозов ВЛ обычно не превышает НО км/ч. В 70-е гг. был реализован переход на более мощные 12-осные электровозы на базе двух 6-осных секций, в каждой из которых кузов опирался на три 2-осные тележки (постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, ВЛ86). Однако одновременно получила распространение и концепция более гибкого типажного решения, когда выпускались 4-осные секции, из которых можно было формировать тяговые единицы из 2-4 секций (постоянного тока ВЛ11М, переменного тока ВЛ80С). По мере расширения электрификации ж. д. наряду с грузовыми электровозами начался выпуск скоростных электровозов, параметры которых были приспособлены для тяги пассажирских поездов. Первый пассажирский электровоз, получивший наименование ПБ (Политбюро), был выпущен Коломенским заводом в 1934 г. Электровоз имел 6 осей, групповой привод колесных пар. Небольшие партии грузовых электровозов ВЛ19, ВЛ22, ВЛ60 выпускались с измененным передаточным отношением от тяговых двигателей на колесные пары, что позволяло использовать их в пассажирских сообщениях (с дополнительной буквой П, например ВЛ60П).
Электровозы, имеющие обозначение ВЛ, были предназначены для грузового движения, хотя довольно часто используются и для тяги пассажирских поездов. Конструктивная скорость электровозов ВЛ обычно не превышает НО км/ч. В 70-е гг. был реализован переход на более мощные 12-осные электровозы на базе двух 6-осных секций, в каждой из которых кузов опирался на три 2-осные тележки (постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, ВЛ86). Однако одновременно получила распространение и концепция более гибкого типажного решения, когда выпускались 4-осные секции, из которых можно было формировать тяговые единицы из 2-4 секций (постоянного тока ВЛ11М, переменного тока ВЛ80С). По мере расширения электрификации ж. д. наряду с грузовыми электровозами начался выпуск скоростных электровозов, параметры которых были приспособлены для тяги пассажирских поездов. Первый пассажирский электровоз, получивший наименование ПБ (Политбюро), был выпущен Коломенским заводом в 1934 г. Электровоз имел 6 осей, групповой привод колесных пар. Небольшие партии грузовых электровозов ВЛ19, ВЛ22, ВЛ60 выпускались с измененным передаточным отношением от тяговых двигателей на колесные пары, что позволяло использовать их в пассажирских сообщениях (с дополнительной буквой П, например ВЛ60П).
Аналогичные этапы развития характерны и для электровозов переменного тока (рис. 5.21,б). Электрическая тяга переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) была освоена значительно позже, чем система постоянного тока. Массовая электрификация на переменном токе 25 кВ 50 Гц и соответственно применение электровозов переменного тока стали возможными только после освоения выпрямителей – сначала на базе ртутных вентилей (игнитроны), а потом на основе полупроводниковых кремниевых диодов. Это определило классическую схему электрической части первых электровозов переменного тока с трансформатором ТР (понижающим напряжение контактной сети до 1-1,6 кВ), диодным выпрямителем В, сглаживающим реактором СР и тяговыми электродвигателями постоянного тока. Однако эти двигатели работали в условиях значительных пульсаций выпрямленного тока (до 20%), специальные конструктивные меры были направлены на приспособление этих двигателей к работе в условиях наличия гармоники 100 Гц в выпрямленном токе (двигатели пульсирующего тока).
Существенным недостатком электровозов ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т; ВЛ80С, ЧС4, ЧС4Т, ЧС8 является невозможность реализации режима рекуперативного торможения. Регулирование напряжения на тяговых электродвигателях при помощи переключения отпаек обмоток трансформатора ТР требовало значительного числа выводов вторичной (электровозы ВЛ) или первичной (электровозы ЧС) обмотки. Переход с одной отпайки на другую без разрыва электрической цепи обусловливало применение специальных переходных реакторов. Эти недостатки были устранены при использовании в выпрямительной установке тиристоров, т.е. управляемого выпрямителя, который позволил реализовать выпрямительный режим с плавным изменением угла отпирания тиристоров, а при рекуперации – режим зависимого инвертора с плавным регулированием тока рекуперации. Одновременно с этим постоянный ток на выходе тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме, преобразуется в однофазный переменный ток, что позволяет трансформировать его имеющимся на электровозе трансформатором ТР и передавать энергию рекуперации в контактную сеть. Преобразовательная установка получила название выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП; применяется на грузовых электровозах (ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65) и пассажирских (ЭП1). При условии, что регулирование осуществляется изменением угла отпирания тиристоров ВИП, нет необходимости выполнять трансформатор ТР с большим числом выводов, достаточно четырех секций вторичной обмотки для реализации 4-зонного регулирования выпрямленного напряжения.
На третьем этапе развития произошел переход на бесколлекторные тяговые электродвигатели. Первые попытки использования асинхронных тяговых двигателей относятся к нач. 19 в. В 1904 г. проф. Кальман Кандо (главный инженер завода ГАНЦ, г. Будапешт) реализовал на севере Италии на горной линии с уклонами до 28% систему электрической тяги, при которой электровоз получал питание по двум контактным проводам (фазы А, В) и по ходовым рельсам (фаза С), что позволило передать на двигатель 3-фазное переменное напряжение. Электрическая часть электровоза состояла из трансформатора и асинхронных тяговых двигателей, которые на вредном спуске автоматически переходили в режим генератора (рекуперативного торможения). Частота питания электродвигателей оставалась постоянной и равной 50 Гц, а регулирование пусковых режимов двигателей осуществлялось при помощи водяных реостатов. Впоследствии такая система довольно широко распространилась на ж. д. Италии, где электрическая тяга применялась в тяжелых условиях горных участков с подъемами на альпийские перевалы. Электровозы отличались простотой и высокой надежностью конструкции, но двухпроводная контактная сеть оказалась слишком сложной, особенно на воздушных стрелках в горловинах станций. Однако была доказана возможность использования асинхронных двигателей.
В 1928 г. проф. К. Кандо реализовал систему электрической тяги однофазного переменного тока 15 кВ 50 Гц на ж. д. Венгрии. На электровозе был установлен электромашинный фазорасщепитель, который преобразовывал однофазное напряжение в симметричное 3-фазное для питания асинхронных тяговых двигателей.
С появлением управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров – стало возможно реализовать преобразовательную установку с плавным регулированием как напряжения, так и частоты, что существенно улучшило регулировочные качества тягового привода электровоза. Такой принцип был впервые использован на электровозе ВЛ80А, на базе которого был потом разработан 12-осный электровоз ВЛ86.
Одновременно с работами над тяговым приводом проводились исследования по применению на электровозах вентильных электродвигателей, относящихся к классу синхронных электрических машин, т. е. частота тока в сети, от которой они получают питание, должна соответствовать частоте вращения ротора двигателя. Идея использования такого двигателя для тяги была высказана проф. Б. Н. Тихменевым в 30-е гг., но практически первый электровоз с вентильными двигателями ВЛ80В был создан только после освоения производства тиристоров. Тяговый привод с вентильными двигателями установлен на скоростном электровозе ЭП200, а также на ряде зарубежных электровозов переменного тока. Принципиальной разницы между электровозами с асинхронными и вентильными двигателями нет – в обоих случаях использован простой по конструкции бесколлекторный двигатель; примерно одинаковые преобразовательные установки для питания и регулирования этих двигателей. И те и другие электровозы являются перспективными, но пока их производство значительно более дорогое, чем электровозов с двигателями пульсирующего тока. В 90-е гг. разработан электровоз ЭШО, который является двухсистемным (рис. 5.22), может работать как от контактной сети постоянного тока 3 кВ, так и от сети переменного тока 25 кВ на частоте 50 Гц. Предусмотрены варианты питания только постоянным или только переменным током.
[[Файл:522.jpg|center]]
Мощность электровозов определяется числом их осей, а каждая ось имеет обычно предельную силу тяги, ограничиваемую условиями сцепления колес с рельсами. Предельная сила тяги оси равна осевой нагрузке (например, на российских электровозах обычно до 25 т на ось), умноженной на коэффициент сцепления, который для режима трогания электровоза может быть принят равным 0,3 (рис. 5.23).
[[Файл:523.jpg|center]]
Таким образом, предельная сила тяги оси при трогании составляет 75 кН, что для 8-осного электровоза соответствует 600 кН, а для 12-осного – 900 кН. При повышении скорости сила тяги должна постепенно снижаться, так как при этом снижается коэффициент сцепления. Затем тяговая характеристика электровоза соответствует примерно гиперболе, т. е. постоянству мощности. Особое значение имеет мощность в точке выхода на естественную характеристику, т. е. при пересечении кривой ограничения по сцеплению с естественной тяговой характеристикой примерно постоянной мощности:
Fк*v = const. У грузового электровоза с поездом критического веса эта мощность на руководящем подъеме соответствует расчетному длительному режиму (точка а). У пассажирского электровоза расчетная точка (б) номинального длительного режима обычно значительно смещена в сторону высоких скоростей.
Электровозы двухсистемного питания используются для обслуживания движения на стыке ж. д. с различными электрическими системами, такие электровозы имеют обычно для каждой из систем отдельные токоприемники, что вызвано спецификой конструктивного исполнения контактных подвесок постоянного и переменного тока (первые более тяжелые и требуют токоприемника с нажатием до 20-25 Н, вторые более легкие и для них достаточно нажатия токоприемника 12-15 Н). В грузовом движении широко применяют 8-осные двухсистемные электровозы (ВЛ82 и ВЛ82М). На этих электровозах установлены нерегулируемые трансформаторы, что существенно снижает их массу; для регулирования тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения в обеих системах электропитания применяются реостаты. Наиболее совершенными двухсистемными электровозами являются электровозы ЭП10 с асинхронными двигателями.
Кроме рассмотренных электровозов постоянного и переменного тока пониженной частоты 15 кВ 1б2/з Гц, за рубежом (Германия, Австрия, Швейцария, Швеция, Норвегия) в эксплуатации находятся электровозы с коллекторными тяговыми двигателями однофазного переменного тока. Фактически такой двигатель является электрической машиной постоянного тока, приспособленной к работе на переменном токе пониженной частоты, т. к. именно при условии понижения частоты может быть обеспечено их надежное функционирование. Такой электровоз имеет достаточно простую электрическую часть, содержащую трансформатор, вторичные обмотки которого непосредственно (без выпрямителей) питают тяговые электродвигатели. Регулирование двигателей осуществляется переключением отпаек трансформатора – обычно со стороны первичных обмоток. С 90-х гг. за рубежом в эксплуатации в этой системе находится значительное число электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, схема питания которых соответствует схеме, приведенной на рис. 5.21,6 (для этапа 3). При этом система пониженной частоты, в которой отсутствуют выпрямители, становится ненужной – электровоз становится аналогичным электровозу, работающему на переменном токе 25 кВ и частоте 50 Гц. Однако в Западной Европе, где применяется большое число различных систем электрической тяги (постоянный ток 3 и 1,5 кВ, а в Великобритании также 0,75 кВ с контактным рельсом, переменный ток 25 кВ частотой 50 Гц и 15 кВ частотой 1б2/3 Гц), в локомотивном парке предусматриваются 2-, 3-, и 4-системные электровозы, которые обеспечивают безостановочное движение на стыке разных систем. При использовании асинхронных тяговых двигателей исполнение многосистемных электровозов существенно упрощается.
В начале 90-х гг. произошло значительное снижение перевозочной работы, вследствие чего потребность в сверхмощных электровозах сократилась, имевшийся парк электровозов стал вполне достаточным для выполнения перевозок; выпуск новых электровозов сократился. Электровоз ВЛ85, имевший наиболее отработанную конструкцию, начали выпускать в односекционном исполнении (ВЛ65). Для возможности использования электровоза в пассажирском сообщении было применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей, в результате чего конструктивная скорость повысилась до 140 км/ч. Было предусмотрено электрическое отопление пассажирского поезда от электровоза. Такой электровоз фактически относится к классу универсальных – грузо-пассажирских.
В начале 90-х гг. произошло значительное снижение перевозочной работы, вследствие чего потребность в сверхмощных электровозах сократилась, имевшийся парк электровозов стал вполне достаточным для выполнения перевозок; выпуск новых электровозов сократился. Электровоз ВЛ85, имевший наиболее отработанную конструкцию, начали выпускать в односекционном исполнении (ВЛ65). Для возможности использования электровоза в пассажирском сообщении было применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей, в результате чего конструктивная скорость повысилась до 140 км/ч. Было предусмотрено электрическое отопление пассажирского поезда от электровоза. Такой электровоз фактически относится к классу универсальных – грузо-пассажирских.
[[Файл:521б.jpg|center]]
[[Файл:521б.jpg|center]]
'''Пневматическое оборудование.'''Пневматическое оборудование обеспечивает работу тормозных систем состава и электровоза. Кроме того, сжатый воздух используется в приводах различной электроаппаратуры на самом электровозе (токоприемники, контакторы, групповые электрические аппараты, в т. ч. реверсоры и тормозные переключатели) для работы пескоподающей системы, гребнесмазывателей, стеклоочистителей и др. К пневматическому оборудованию относятся главные и вспомогательные компрессоры с приводным двигателем и электродвигателями, главные воздушные резервуары, которые размещаются на крыше и частично под кузовом, воздушные трубопроводы, соединенные с магистралями состава, краны машиниста для управления тормозами, реле и регуляторы давления, концевые и разобщительные краны, переключатели электропневматического тормоза.
'''Пневматическое оборудование.'''Пневматическое оборудование обеспечивает работу тормозных систем состава и электровоза. Кроме того, сжатый воздух используется в приводах различной электроаппаратуры на самом электровозе (токоприемники, контакторы, групповые электрические аппараты, в т. ч. реверсоры и тормозные переключатели) для работы пескоподающей системы, гребнесмазывателей, стеклоочистителей и др. К пневматическому оборудованию относятся главные и вспомогательные компрессоры с приводным двигателем и электродвигателями, главные воздушные резервуары, которые размещаются на крыше и частично под кузовом, воздушные трубопроводы, соединенные с магистралями состава, краны машиниста для управления тормозами, реле и регуляторы давления, концевые и разобщительные краны, переключатели электропневматического тормоза.