в передаче постоянного тока в качестве тяговых машин используют коллекторные электрические машины постоянного тока: тяговый генератор с независимым возбуждением и тяговый электродвигатель последовательного возбуждения. Данный тип передачи ранее был основным. Это объяснялось тем, что в электродвигателях постоянного тока магнитный поток можно изменять независимо от напряжения, приложенного К машинам. Поэтому между величинами, характеризующими режим работы электродвигателя (крутящий момент, угловая скорость и мощность), отсутствует жесткая связь и их можно изменять одну независимо от другой по заданному закону.

Однако по допустимым значениям электромагнитных, тепловых и механических нагрузок тяговых электрических машин мощность электрической передачи постоянного тока ограничена. Наибольшая мощность тепловозных тяговых машин постоянного тока ограничена предельными значениями их коммутационных параметров, оцениваемых по величине произведения расчетной мощности машины на ее наибольшую угловую скорость. Исследованиями установлено, что для главного генератора постоянного тока по условиям коммутации

Л. р<йн = Ргаокг(й„ < 3.10 кВ А - рад/с,

где Рг«, и Рг. р -длительная и расчетная мощность генератора, кВ-А; (о„ - номинальная угловая скорость якоря машины; == = i/rmax/froo - коэффициент рсгулирования напряжения генератора {Uj.cc и (/гшах -соответственно длительное и максимальное напряжение генератора). При «„ = 104,5 рад/с и /г = 1>5 предельная мощность генератора составляет 2000 кВт, что соответствует секционной мощности тепловоза по дизелю 2210 кВт. Таким образом, применение генератора постоянного тока на тепловозах мощностью более 2210 кВт в секции вызывает серьезные затруднения. Для тягового электродвигателя предельное значение произведения РуооЩтах составляет (1,1-1,4) 10 кВ-А-рад/с. Если принять «ашах = 240--260 рад/с, то при обычной опорно-осевой подвеске можно разместить электродвигатель мощностью 500-600 кВт. t;

Передача переменно-постоянного тока включает синхронный генератор, статический преобразователь (выпрямитель) переменного тока в постоянный и тяговые электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Поскольку у синхронного генератора обмотка возбуждения размещена на роторе, а рабочая обмотка - на статоре, то при использовании этого типа генератора в качестве тягового исключается проблема коммутации при любой практически осуществимой секционной мощности тепловоза. Кроме того, преимуществами машин переменного тока по сравнению с машинами постоянного тока являются:

1) уменьшение массы машины при увеличении ее надежности из-за отсутствия коллектора и щеточного аппарата;

2) понижение эксплуатационных расходов вследствие уменьшения расходов на уход за машинами и их ремонт;

3) сокращение расхода дорогостоящих материалов - меди и электротехнической стали и соответственно уменьшение стоимости машины.

Синхронный генератор работает вместе с выпрямительной установкой, от которой получают питание тяговые электродвигатели. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения генератор снабжен двумя самостоятельными статорными обмотками, одна из которых смещена относительно другой на 30° (электрических). Каждую обмотку присоединяют к отдельному трехфазному выпрямительному мосту. Выпрямители на стороне постоянного тока соединяют параллельно. Возможно и последовательное соединение выпрямителей.

В электрических передачах постоянного и переменно-постоянного тока в качестве тяговых применяют электродвигатели с последовательным возбуждением (сериесные). Ведутся работы по использованию электродвигателей независимого и смешанного возбуждения. Исключительное применение на тепловозах тяговых электродвигателей последовательного возбуждения объясняется тем, что их характеристики в наибольшей степени соответствуют условиям тяги поездов, а именно:

1) при одном и том же значении тока якоря начальный (пусковой) момент у них больше;

2) более равномерно распределена нагрузка между параллельно работающими электродвигателями и лучше использована сцепная масса локомотива;

3) более высокая степень электрической и механической устойчивости, так как эти машины менее чувствительны к колебаниям подводимого напряжения и нагрузки.

Возможны три схемы соединения электродвигателей: последовательное, смешанное и параллельное. Схему соединения следует выбирать из следующих условий:

1) достижения оптимальных значений напряжения и тока генератора и электродвигателей;

2) получения наибольшего коэффициента использования сцепной массы;

3) повышения эксплуатационной надежности тепловоза;

4) уменьшения количества коммутирующей аппаратуры;

5) достижения максимальной простоты монтажа.

При прочих равных условиях размеры и масса электрической машины зависят от соотношения между ее током и напряжением. Практика проектирования и строительства тепловозных тяговых электрических машин показывает, что минимальные размеры и массу генераторов мощностью до 2000 кВт можно получить, если максимальное напряжение на коллекторе не превышает 850-950 В. Для тяговых электродвигателей мощностью до 150 кВт оптимальное значение максимального напряжения меньше 850-

Рис. 174. Структурная схема электрической передачи переменного тока: Г-сиихроииый генератор; Л - выпрямитель; АИ - автономный инвертор: М - асинхронный короткозамкнутый электродвигатель

950 В. Поэтому для тепловозов небольшой- мощности целесообразно выбирать смешанное соединение. В существующих габаритах выполнить электродвигатель на длительный ток более 900 А затруднительно. Вследствие этого с увеличением мощности тепловоза необходимо повышать напряжение электродвигателя, и для обеспечения оптимальных параметров тяговых машин целесообразно применять параллельное соединение электродвигателей.

По условию лучшего использования сцепной массы и эксплуатационной надежности тепловоза параллельное соединение электродвигателей является наиболее благоприятным. С другой стороны, с увеличением числа параллельных цепей увеличиваете! -число коммутирующей аппаратуры (поездных контакторов и силовых Контактов реверсора). Однако этот фактор не является

решающим при выборе схемы соединения электродвигателей. Электрическая передача переменного тока является перспективной, но изучена еще недостаточно. Предложен ряд схемных решений такой передачи. Наиболее перспективной считают передачу (рис. 174), включающую синхронный генератор, статический преобразователь частоты с явцо выраженным звеном постоянного тока и асинхронные тяговые электродвигатели. Переменный ток постоянной частоты, вырабатываемый синхронным генератором Г, с помощью выпрямителя В преобразуется в постоянный, а затем постоянный ток в автономном инверторе АИ преобразуется в переменный регулируемой частоты. Передачей переменного тока оборудованы только опытные тепловозы.

Выше указывалось, что одно из основных требований, предъявляемых к силовой установке тепловозов, состоит в обеспечении возможности полного использования мощности дизеля при различных условиях движения тепловоза. В случае использования электрической передачи эта задача решена регулированием на-

гфяжения главного генератора приблизительно обратно пропорционально силе тока нагрузки, т. е. внешняя характеристика генератора должна быть близкой к гиперболе. Однако ток и напряжение генератора нельзя увеличивать беспредельно. Величина максимального напряжения f/miax ограничена насыщением магнитной цепи, температурой нагрева обмоток возбуждения, прочностью изоляции и другими факторами. Наибольшая сила тока генератора /lax ограничена температурой нагрева элементов силовой цепи и условиями коммутации. С учетом названных ограничений требуемая внешняя характеристика генератора (риб. 175) имеет три зоны: /-ограничение по напряжению; 2 - ограничение по мощности тягового двигателя; S - ограничение по току. Из рис. 175 видно, что полная мощность дизеля 298

используется в пределах токов нагрузки генератора от /,.„,!„ до /г шах- При остальных нагрузках мощность дизеля должна быть уменьшена. - ,

Гидропередачи. Силовая передача тепловоза с гидропередачей включает гидравлическую коробку передач (ГКП) с реверсом, карданный валопровод и раздаточные и осевые редукторы. ГКГГ формирует тяговую характеристику тепловоза и вместе с дизелем определяет его тяговые и экономические качества. По принципу работы гидропередачи делят на гидродинамические и гидростатические. В силовой передаче тепловозов наиболее часто применяются гидродинамические передачи. Основными их агрегатащ являются-гидротрансформаторы и гидромуфты. Рабочей жидкостью гидротрансформаторов и гидромуфт служит веретенное масло АУ (ГОСТ 1642-75).

Гидротрансформатор (рис. 176, а) состоит из насосного колеса /, турбинного колеса S и направляющего аппарата 2. Насосное колесо связано с коленчатым валом дизеля, турбинное - через систему зубчатых колес и карданных валов с ведущими колесами локомотива. Характерным для гидротрансформатора является то, что передача момента с вала насосного колеса на вал турбинного колеса сопровождается его преобразованием. Момент на турбинном колесе М. может быть большим, равным или меньшим момента Ми, подводимого к насосному колесу:

где. k.i - коэффициент трансформации момента.,

Внешними характеристиками гидромашин называются зависимости крутящих моментов насосного калеса Мд, урбинного колеса и КПД гидромашины от отношения i = (От/Мд при «и = = const (рис. 177), где «„, «т- угловая скорость соответственно насосного и турбинного колеса. Если = const при - щ = var -и Мт = var, то трансформатор называют непрозрачным. Если при изменении значений щ и М,, меняется момент М,,, то трансформа-

гтах

Рис. 175. Предельная внешняя характеристика тягового генератора тепловоза:

/ - ограничение по напряжению; 2 - ограничение по мощности дизеля; 3 - ограничение по току

.3 1

Рнс. 176. Принципиальные схемы гидромашин:

а - гидротрансформатора; б - гидромуфты; ; - насосное колесо; 2 - направля-юпий аппарат: 3 - турбинное колесо

Ит/Ми

2,0 1,0

О"-

12,0

1,0V 9,0

0 IJt/Uh a)

0,5 -

3,0 1,0

0,5 и)г/й)м Si

Рис. 177. Характеристики гидромашин; a - гидротрансформатора; б - гидромуфты; / - MjM (*т/*н) ~ M»t/V= -«h(»t/»h)- -<h/«h.h(V»h)

тор называют прозрачным. Непрозрачный трансформатор обеспечивает постоянство режима работы дизеля при переменном режиме движения тепловоза. КПД гидротрансформатора с увеличением передаточного отношения сначала возрастает от нуля до наивысшего значения (11ттах = 0,85-f-0,92), а затем снова уменьшается до нуля.

У гидромуфты (рис. 177, б) направляющий аппарат отсутствует, поэтому УИт = Ми и k = \. Момент, подводимый к насосному колесу гидромуфты, при уменьшении щ и «„ = const возрастает и достигает наибольшего значения при (о - 0. КПД гидромуфты tIm = t„. При передаче номинального момента = 0,96Ч-0,97 с понижением частоты (Ot11„ уменьшается по линейной зависимости.

По условиям наибольшей экономичности тепловоза гидромашины должны работать с высоким КПД {ц = 0,84-0,82). Интервал экономичной работы гидромашин ограничен передаточными отношениями tniax и fmin (ри. 177, а). Отношенис fmax/imin называют диапазоном передач гидромашины. Для выполненных гидромашин диапазон передач равен 1,9-2,4. Диапазон скоростей тепловоза (отношение конструкционной скорости у„ к длительной у») значительно больше диапазона передач. Этим обусловлена необходимость применения в гидропередаче нескольких гидромашин (многоциркуляционные передачи) или одной гидромашины в сочетании с механической коробкой передач (гидромеханические передачи). Гидропередачи могут быть однопоточными, двухпоточ-ными и смешанными.

В однопоточных передачах весь поток мощности от дизеля к колесам локомотива проходит через гидротрансформатор или гидромуфту. Эти передачи вы11рлняют с двумя гидротрансформаторами (рис. 178, а, г), с тремя гидротрансформаторами

-ШТ-

Рис. 178. Принципиальные схемы гидропередач:

а - Л60 для тепловоза ТГ102; б - К32Р для тепловоза ТГП50; в - ГП400 для тепловозов ТГМ1 и 437; а - для тепловоза ТГЮб; д - УГП для тепловозов ТГМ21, ТГМ23, ТГ46, * ТГМЗА, ТГМ5, ТГМб и 217; е - К184 (ФРГ); ж - гид-ромехаиичесной с суммирующим рядом; 3 - гидроме-хаиичесной с разделительным рядом

(рис. 178, б), С одним трансформатором и двумя гидромуфтами (рис. 178, в), с двумя гидротрансформаторами и одной гидромуфтой (рис. 178, д), с одним гидротрансформатором и механической коробкой передач (рис. 178, ё).

Двухпоточными (гидромеханическими) называют передачи, в которых одна часть мощности передается от ведущего вала на ведомый вал гидравлическим путем, а другая часть - механическим. Обычно двухпоточные передачи выполняют с суммируй ющим (рис. 178, ж) или разделительным (рис. 178, з) планетарным механизмом.

Смешанными передачами называют такие, в которых при пуске, разгоне и движении локомотива с небольшими скоростями энергия передается через гидропередачу, а при движении с большими скоростями - через механическую передачу. Двухпоточные и смешанные передачи не получили распространения на тепловозах.

§ 46. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ГИДРОПЕРЕДАЧИ

Гидропередачи должны обеспечивать:

автоматическое переключение скоростей в зависимости от скорости движения тепловоза и угловой скорости вала дизеля;