тельно с электродвигателем М включен дроссель Р, сглаживающий пульсации тока в цепи, а параллельно цепи нагрузки - неуправляемый диод У, через который проходит ток электродвигателя в промежутки времени, когда ключ разомкнут. Замыкание и размыкание ключа К производится с периодом Т. В течение промежутка времени Дт ключ замкнут, а в остальную часть периода (Т - Ат) - разомкнут. При замкнутом ключе к цепи нагрузки приложено напряжение, равное напряжению источника питания. После размыкания ключа источник питания отключается. Напряжение на зажимах электродвигателя равно среднему значению напряжения за период. При плавном изменении времени Ат среднее значение напряжения на зажимах электродвигателя плавно изменяется.

Магнитный поток электродвигателей последовательного возбуждения можно изменять; шунтированием обмотки возбуждения сопротивлением, варьированием числа витков обмотки возбуждения и последовательно-параллельным включением отдельных частей обмотки возбуждения. При первом способе не требуется усложнять конструкцию электродвигателя, и поэтому его широко применяют. Обычно выполняют две и более ступеней регулирования магнитного потока.

Известно много вариантов системы электрической тяги на переменном токе. Лучшим вариантом оказалась система однофазного тока промышленной частоты, которую выполняют по трем схемам:

со статическими преобразователями однофазного переменного тока в постоянный и коллекторными электродвигателями пульсирующего тока;

со статическими преобразователями однофазного тока промышленной частоты в многофазный ток регулируемой частоты и асинхронными тяговыми электродвигателями;

с вентильными тяговыми электродвигателями.

Схема со статическими преобразователями и коллекторными электродвигателями пульсирующего тока (рис. 9) в настоящее время является основной. По такой схеме выполнены серийные электровозы однофазного тока ВЛ60, ВЛ60«, ВЛ80, ВЛ80«, ВЛ80\ ЧС4, ЧС4 и электропоезда ЭР9П.

На этих электровозах применяют двухполупериодное выпрямление тока. Схема соединения вентилей - мостовая. Тяговые электродвигатели всегда соединены параллельно. Для уменьшения пульсации выпрямленного тока в цепь тяговых электродвигателей включают реактор Р. Скорость движения ЭПС регулируют изменением напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям, путем подключения их к различным выводам вторичной обмотки трансформатора. На электровозах ЧС4, Ф, Ф" и К регулирование напряжения осуществлено на стороне высшего напряжения. При таком способе регулирования напряжения не нужны пусковые реостаты и нет необходимости переключать схемы соединения электродвигателей. Кроме того, скорость движения ЭПС 14

Н<1-

Рис. 10. Принципиальная схема Рис. П. Принципиальная схема си-силовой цепи асинхронного тяго- ловой цепи электровоза с вентиль-вого электродвигателя электровоза ным тяговым электродвигателем с частотным управлением

С электродвигателями пульсирующего тока регулируют изменением магнитного потока электродвигателей.

Раньше вентилями выпрямительных установок были игнитроны. В настоящее время используют кремниевые диоды, которые отличаются высокими КПД (до 99,6%), предельной температурой нагрева (140 °С и выше), небольшой массой и хорошей надежностью.

На ЭПС используют бесколлекторные тяговые электродвигатели: асинхронный короткозамкнутый с питанием от статического преобразователя частоты и вентильный. В обоих случаях электрическая схема ЭПС состоит из электрической машины, преобразователя частоты и числа фаз и системы управления.

Принципиальная схема преобразователя частоты и фаз электровоза с частотным управлением показана на рис. 10. Преобразователь состоит из управляемого выпрямителя П], фильтра Ф и автономного инвертора АИ. Тиристоры инвертора имеют специальное устройство для их отключения от коммутирующего конденсатора, который постоянно подзаряжается от вспомогательного выпрямителя П2. В силовую цепь инвертора входит также дополнительный трехфазный мостина диодах, служащий для возврата реактивной энергии асинхронного двигателя звену постоянного тока. Электровоз оборудован датчиком угловой скорости колесных пар и системой автоматического регулирования, которая поддерживает у асинхронных электродвигателей по-

стоянную абсолютную частоту скольжения. Это позволяет получить в обмотке ротора неизменный ток, способствующий наилучшему использованию мощности тягового электродвигателя.

Вентильный электродвигатель М (рис. 11) подобен синхрон» ному: на статоре уложена трехфазная обмотка, на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока. Фазные обмотки электродвигателя через вентильный преобразователь частоты и числа фаз ПЧФ и сглаживающие реакторы -подключены к основной вторичной обмотке трансформатора Т, а обмотка возбуждения через несимметричный управляемый мост П к дополнительной вторичной обмотке трансформатора. Взаимодействие магнитного потока ротора с током в проводниках обмотки статора создает вращающий момент электродвигателя. Переключение тока в обмотках статора производится вентильным преобразователем. Электродвигатель снабжен датчиком положения ротора, поэтому система управления отпирает очередные вентили при определенных положениях ротора. Таким образом, система управления обеспечивает жесткую связь между электрической машиной и вентильным преобразователем.

На электровозах ток возбуждения вентильного электродвигателя регулируют автоматически пропорционально изменению тока статора. Поэтому электромеханические характеристики такого электродвигателя аналогичны характеристикам электродвигателя с последовательным возбуждением.

Использование вентильных и асинхронных электродвигателей позволяет создать локомотивы мощностью 1200 кВт на ось и более.

§ 6. ГАЗОТУРБОВОЗЫ

Газотурбовозом называется локомотив, первичным двигателем которого является газовая турбина. Газотурбинная установка (ГТУ) имеет генератор рабочего газа и газовую турбину, в которой энергия при расширении рабочего газа преобразуется в механическую работу на валу турбины. Генератор газа может быть выполнен в виде турбокомпрессора с камерой сгорания или в виде поршневой машины, например свободнопоршневого генератора газа (СПГГ). На газотурбовозах применяют в основном ГТУ трех типов: одновальные с камерой сгорания, двухвальные с камерой сгорания и с СПГГ.

В одновальной ГТУ (рис. 12, а) валы роторов компрессора и газовой турбины связаны жестко. Часть мощности газовой турбины (около Уя) затрачивается на привод компрессора, а остальная часть передается к нагрузке. Компрессор сжимает воздух и подает его в камеру сгорания. Одновременно в камеру сгорания через топливный насос и форсунки поступает топливо. Продукты горения смешиваются с избытком воздуха, и эта смесь поступает на лопатки турбины. 16

1 3 а)

4- 5

Рис. 12. Принципиальные схемы локомотивных газотурбинных установок:

а - одновальной; 6 - двухвальной; / - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - компрессорная турбина; 4 - тяговая турбина; 5 - передача

Рис. 13. Схема локомотивной газотурбинной установки со свободнопорш-

иевым генератором газа: /-цилиндр буфера; ? -цилиндр компрессора; 3-ресивер продувочного воздуха; 4 - цилиндр дизеля; 5 - поршень; 6 - газовый ресивер; 7 - газовая турбина; 8 - передача

Двухвальная ГТУ (рис. 12, б) имеет две газовые турбины. Одна из них (компрессорная) служит для привода компрессора и вместе с компрессором и камерой сгорания образует генератор рабочего газа. Вторая турбина (тяговая) служит для привода ведущих осей локомотива. Тяговая турбина в процессе генерации рабочего газа не участвует. Отсутствие кинематической связи между турбокомпрессором и тяговой турбиной позволяет изменять угловую скорость вала тяговой турбины при практически неизменном режиме работы турбокомпрессора.

Свободнопоршневой генератор газа (рис. 13) представляет собой комбинацию двухтактного дизеля и поршневого компрессора. Дизель является приводом компрессора, сжимающего воздух, и генератором газа для тяговой турбины вследствие ограниченного расширения продуктов горения. Пуск СПГГ осуществляется подачей сжатого воздуха в буферные пространства, при этом поршни движутся один навстречу другому. При положении поршней, близком к внутренней мертвой точке, в цилиндр дизеля впрыскивается топливо; следует рабочий такт дизеля, и поршни расходятся. При открытии окон левой стороны (выпускных) не полностью расширившиеся продукты горения поступают в газовый ресивер и затем в турбину, а при открытии окон правой стороны (продувочных) происходит продувка и зарядка цилиндра дизеля свежим воздухом. Обратный ход поршней происходит под воздействием воздуха, сжатого в буферных полостях. При обратном ходе поршней в цилиндрах компрессора происходит сжатие воздуха и его подача в ресивер продувочного воздуха,

МеЛе

±

0,в 9,88 0,96и/и)п,ак О 0,t 0,8и/и„вх а) б) "

Рис. 14. Внешние характеристики газотурбинных установок:

а - одновальной; б ~ двух-вальной; / - относительный момент = MJM; 2 -относительный КПД т] =

= Vemax

а в цилиндрах дизеля сжатие свежего заряда воздуха. Таким образом, создаются условия для повторного рабочего цикла генератора газа.

У одновальной ГТУ при уменьшении угловой скорости вала резко снижается экономичность и крутящий момент (рис. 14, а). Кроме того, одновальная ГТУ может воспринимать нагрузку при угловой скорости (О > = (0,5н-0,85) ©щах, где со-- угловая скорость вала ГТУ на холостом ходу. Поэтому требуется применять передачи мощности с- регулируемым передаточным числом между валом ГТУ и ведущими колёсами локомотива. Таким требованиям удовлетворяют электрические передачи мощности постоянного и переменно-постоянного тока, а также передача переменного тока с частотно-управляемыми асинхронными электродвигателями. Электрическая передача имеет относительно большую массу и высокую стоимость. Ее КПД составляет 82-85%, что при относительно низком КПД ГТУ снижает общий КПД локомотива.

Внешняя характеристика двухвальной и многовальной ГТУ (рис. 14, б) коренным образом отличается от внешней характеристики одновальной. Крутящий момент на валу тяговой турбины увеличивается по мере уменьшения угловой скорости и достигает наибольшего значения при со = 0. Следовательно, в отличие от дизеля и одновальной ГТУ двухвальная ГТУ развиваеткрутящий момент на выходном валу при всех значениях угловой скорости от нуля, причем при пуске крутящий момент достигает наибольшего значения. Вследствие этого многовальная ГТУ позволяет применить нерегулируемую передачу - механическую или электрическую переменного тока (синхронный генератор и асинхронные тяговые электродвигатели). Для мощных локомотивов перспективным считают второй тип передачи.

Механическая передача более проста, чем электрическая, имеет более высокий КПД (90-95%), мощность не расходуется на охлаждение. Ее применение позволило бы уменьшить общий расход топлива. Однако при разработке механической передачи для локомотивных ГТУ относительно большой мощности встречаются значительные трудности, которые относятся к редуктору для снижения угловой скорости, механизму реверса, синхрони-

затору коробки перемены передач, тяговому приводу и осевых редукторов.

У локомотивных ГТУ первого выпуска (двигатели газотурбовозов Г1, ГП1, фирмы Вестингауз и др.) масса, приходящаяся на единицу мощности, составляет 3,6-6,1, а у современных - 2,6-2,7 кг/кВт (двигатели ГТ-4, ГТ-6 Коломенского тепловозостроительного завода) при моторесурсе 30 тыс. ч. Таким образом, по агрегатной мощности, надежности и другим показателям локомотивные ГТУ превосходят тепловозные дизели.

Газотурбовозы, эксплуатируемые на железной дороге Юнион Пасифик (США), расходовали топливо на измеритель перевозочной работы примерно в 2 раза больше, чем тепловозы. Однако затраты на топливо были практически одинаковыми вследствие более низкой стоимости тяжелого топлива, на котором работали ГТУ. Общие эксплуатационные расходы на измеритель при газотурбинной тяге оказались примерно в 1,5 раза меньше, чем при тепловозной. Это объясняется в основном экономией средств, расходуемых на содержание локомотивных и поездных бригад и ремонт силовых установок.

Номинальный КПД построенных ГТУ ниже, чем КПД тепловозных дизелей. Кроме того, экономичность локомотивных ГТУ по сравнению с экономичностью дизеля резко снижается при недогрузках (рис. 15), а расход топлива на холостом ходу составляет 20-25% номинального. Поэтому необходимо применять на газотурбовозах вспомогательный дизель, который используют для привода вспомогательных механизмов, а также при маневровой работе и одиночном следовании локомотива.

Относительно низкий КПД ГТУ можно увеличить следующим образом: увеличить температуру рабочего газа перед турбиной; усложнить рабочий цикл, применив регенерацию тепла, охлаждение воздуха между ступенями сжатия, вторичный подвод тепла; усовершенствовать аэродинамику проточной части турбомашин. Для локомотивных ГТУ целесообразны первый и второй способы, поскольку повышение температуры рабочего газа перед турбиной и особенно усложнение схемы термодинамического цикла позволяют не только повысить номинальный КПД, но и стабилизировать его в широком диапазоне изменения нагрузок.

Совершенствование и развитие транспортных ГТУ неразрывно связано с общим уровнем технического прогресса (развитием металлургии, использованием в тур-бомашинах охлаждаемых лопаток и т. д.).

Первый отечественный газотурбовоз Г1 мощностью 2580 кВт имеет одновальный двигатель ГТ-3,5. Передача - электрическая постоянного тока с двумя тяговыми

О.Ч- 0,6 PclPen

Рис. 15. Зависимость КПД от нагрузки;

/ - дизеля; 2 - газотурбинной установки