Электрическая передача тепловоза
ELECTRIC LOCOMOTIVE TRANSMISSION

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается электрических передач тепловозов.
Известна электрическая передача тепловоза, состоящая из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, которая подключена к независимой обмотке возбуждения и обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах. При этом в цепи якоря тягового генератора установлено коммутирующее устройство, которое по сигналу управления, формируемому при срыве сцепления колесных пар с рельсами, обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю последовательно с тяговыми электродвигателями колесных пар через скользящие контакты, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам. Колесные пары и скользящие контакты снабжены электрической изоляцией от других элементов конструкции тепловоза. [Патент №2314948 РФ. МПК В61С 9/00, В61С 15/08, опубл. 20.01.2008, БИ №2].
К недостаткам указанного технического решения относится то, что при срыве сцепления колесных пар с рельсами производится скачкообразная подача электрического тока в зоны контакта колес с рельсами, вызывающая быстрое увеличение коэффициента сцепления. Это приводит к возникновению пиковых значений касательной силы тяги и угловых ускорений колесных пар, обуславливающих появление дополнительных динамических нагрузок на элементы тягового привода и отрицательное влияние на плавность движения тепловоза.
Техническим результатом изобретения является снижение динамических нагрузок на элементы тягового привода и повышение плавности хода тепловоза путем формирования фронта постепенного нарастания электрического тока, подаваемого в зоны контакта колес с рельсами, при их подключении к якорю тягового генератора.
Для достижения указанного технического результата в электрической передаче тепловоза, состоящей из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, подключенной к независимой обмотке возбуждения и обеспечивающей формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах, при этом в цепи якоря тягового генератора установлено коммутирующее устройство, которое по сигналу управления, формируемому при срыве сцепления колесных пар с рельсами, обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю тягового генератора последовательно с тяговыми электродвигателями колесных пар через скользящие контакты, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам, а колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза, в цепь для прохождения тока тягового генератора по колесным парам и рельсам включен индуктивный элемент, который обеспечивает формирование фронта постепенного нарастания электрического тока в контактах колес с рельсами при подключении колесных пар к якорю тягового генератора.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 схематически показана электрическая передача тепловоза;
- на фиг. 2 приведены временные диаграммы касательной силы тяги и угловых ускорений колесных пар при подаче электрического тока в зоны контакта колес с рельсами скачком;
- на фиг. 3 приведена временная диаграмма нарастания электрического тока в контактах колес с рельсами при включении в силовую цепь индуктивного элемента;
- на фиг. 4 приведена временная диаграмма касательной силы тяги при нарастании коэффициента сцепления по линейной зависимости.
Электрическая передача содержит (фиг. 1) тяговый генератор 1 с независимой обмоткой возбуждения 2 и якорем 3, получающий механическую энергию от дизеля (на фиг. не показан), систему возбуждения 4, подключенную к независимой обмотке возбуждения 2, тяговые электродвигатели 5, имеющие прямое электрическое соединение с якорем 3 тягового генератора 1, колесные пары 6, механически связанные с тяговыми электродвигателями 5 и установленные на рельсах 7.
Колесные пары 6 через скользящие контакты 8 подключены коммутирующим устройством 9 к цепи якоря 3 тягового генератора 1 последовательно с тяговыми электродвигателями 5. Кроме того, коммутирующее устройство 9 содержит канал для отключения прямого электрического соединения тяговых электродвигателей 5 с якорем 3 тягового генератора 1. В цепь колесных пар 6 включен индуктивный элемент 10.
В качестве примера на фиг. 1 приведена схема электрической передачи тепловоза на постоянном токе с двумя ведущими колесными парами. В случае применения электрических передач на переменно-постоянном или переменном токе колесные пары аналогично включаются в цепь якоря тягового генератора на выходе выпрямительной установки. При большем числе ведущих колесных пар схема также не имеет принципиальных отличий.
Электрическая передача работает следующим образом.
Тяговый генератор 1 (фиг. 1) получает механическую энергию вращения от дизеля. При этом независимая обмотка возбуждения 2 тягового генератора 1 подключена к системе возбуждения 4, которая обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора 1. От якоря 3 тягового генератора 1 поступает ток питания на тяговые электродвигатели 5, что создает вращающий момент тяговых электродвигателей 5, передаваемый далее через механические связи (тяговые редукторы - на фиг. не показаны) соответственно колесным парам 6. Колесные пары 6 установлены на рельсах 7 и образуют с последними пары трения, формирующие силу тяги Fк тепловоза, зависящую от коэффициента сцепления у/ колес локомотива с рельсами.
к
Г
Срыв сцепления колесных пар с рельсами приводит к режиму боксования колесных пар и снижению силы тяги F. В этом случае по сигналу ручного или автоматического управления коммутирующее устройство 9 производит отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей 5 с якорем 3 и подключение к якорю 3 последовательно с тяговыми электродвигателями 5 колесных пар 6 через скользящие контакты 8. При этом образуется цепь для прохождения тока генератора I по колесным парам 6 и рельсам 7 через зоны их контакта, что обеспечивает соответствующее увеличение коэффициента сцепления Ψ и, следовательно, силы тяги Fк тепловоза.
к
Переключение силовой цепи с невысокой индуктивностью вызывает скачкообразную подачу электрического тока в зоны контакта колес с рельсами. Это приводит к быстрому увеличению коэффициента сцепления, которое способствует возникновению пиковых значений касательной силы тяги F и угловых ускорений колесных пар ε (фиг. 2), обуславливающих появление дополнительных динамических нагрузок на элементы тягового привода и отрицательное влияние на плавность движения тепловоза [1].
Г
Для снижения динамических нагрузок на элементы тягового привода и повышение плавности хода тепловоза в цепь колесных пар включен индуктивный элемент 10, который обеспечивает формирование фронта постепенного нарастания электрического тока в контактах колес с рельсами при подключении колесных пар к якорю тягового генератора (фиг. 3). В этом случае сила тока возрастает от начального значения I=0 до значения тока тягового генератора I=I в соответствии с известной формулой [2]
ф
- постоянная времени цепи, зависящая от индуктивности L и активного сопротивления R цепи и определяющая время нарастания фронта тока t (фиг. 3).
Таким образом, фронт нарастания тока, сформированный при включении в цепь колесных пар индуктивного элемента 10, обеспечивает постепенное увеличение коэффициента Ψ до максимального значения и, как следствие, получение касательной силы тяги и угловых ускорений колесных пар без пиковых значений.
Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в том, что в цепь колесных пар электрической передачи включен индуктивный элемент, который обеспечивает формирование фронта постепенного нарастания электрического тока в контактах колес с рельсами при подключении колесных пар к якорю тягового генератора. Это позволит получить касательную силу тяги и угловые ускорения колесных пар без пиковых значений, что обуславливает снижение динамических нагрузок на элементы тягового привода и повышение плавности хода тепловоза.
С целью определения влияния коэффициента сцепления с постепенно нарастающим фронтом при подаче тока в зоны контакта колес с рельсами на динамические нагрузки, действующие в системе тягового привода, были проведены эксперименты методом компьютерного моделирования [1]. В отличие от скачкообразного фронта нарастания коэффициента, вызывающего пиковые значения касательной силы тяги и угловых ускорений колесных пар (фиг. 2), в процессе экспериментов коэффициент сцепления увеличивался по линейной зависимости.
Результаты исследований показали, что такое формирование фронта нарастания коэффициента Ψ позволяет устранить дополнительные возмущающие воздействия на тяговый привод (фиг. 4).
Источники информации
1. Ивахин, А.И. Исследования динамических процессов в тяговом приводе тепловоза при управляемом повышении сцеплении колес с рельсами / А.И. Ивахин, А.Г. Галичев // Тяжелое машиностроение. - 2016. - №5. - С. 27-31.
2. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. учебник для Вузов. Том 1 / Л.Р. Нейман, К.С. Демирчян. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 536 с., С. 326-332.