Электрическая передача тепловоза
ELECTRIC LOCOMOTIVE TRANSMISSION

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается электрических передач тепловозов.
Известна электрическая передача тепловоза [Патент №2467899 РФ. МПК В61С 15/08, опубл. 27.11.12, БИ №33], 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. В цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями только двух колесных пар, находящихся в режиме боксования, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам. При этом блок управления обладает функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, и фиксирует возникновение и окончание режима боксования колесных пар. Колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза.
К недостаткам указанного технического решения относится то, что при одновременном боксовании более двух колесных пар коммутирующие устройства и скользящие контакты работают в напряженном режиме, связанном с частыми переходными коммутационными процессами в силовых элементах при электрических токах большой величины. Это приводит к снижению надежности работы электрической передачи в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности электрической передачи путем уменьшения числа переходных коммутационных процессов в коммутирующих устройствах и скользящих контактах.
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, 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, причем в цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями только двух колесных пар, находящихся в режиме боксования, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам, блок управления обладает функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, и фиксирует возникновение и окончание режима боксования колесных пар, а колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза, в состав коммутирующих устройств дополнительно включены каналы коммутации, обеспечивающие по сигналам блока управления отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей, механически связанных с передними по ходу движения и средними колесными парами тележек тепловоза, с якорем тягового генератора, и последовательное подключение к цепи якоря тягового генератора только передних колесных пар, находящихся в режиме боксования, а также последовательное подключение к передним колесным парам силовых электрических цепей тяговых электродвигателей передних и средних колесных пар.
Кроме того, при возникновении режима боксования в электрические цепи тяговых электродвигателей передних и средних колесных пар могут быть включены сопротивления скользящих контактов и контактов колес с рельсами, при этом тяговые электродвигатели, механически связанные с задними по ходу движения колесными парами тележек, будут напрямую электрически соединены с якорем тягового генератора, что обеспечивает распределение токов по тяговым двигателям, предотвращающее боксование средних колесных пар.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 схематически показана электрическая передача тепловоза;
- на фиг. 2 приведена электрическая схема соединений тяговых электродвигателей при возникновении режима боксования.
Электрическая передача содержит (фиг. 1) тяговый генератор 1 с независимой обмоткой возбуждения 2 и якорем 3, получающий механическую энергию от дизеля, систему возбуждения (на фиг. 1 не показана), подключенную к независимой обмотке возбуждения 2, тяговые электродвигатели 4, 5, 6, 7, 8, 9, имеющие прямое электрическое соединение с якорем 3 тягового генератора 1. Колесные пары 10, 11, 12, 13, 14, 15 механически связаны соответственно с тяговыми электродвигателями 4, 5, 6, 7, 8, 9 и установлены на рельсах 16. Для упрощения на фиг. 1 не показаны обмотки возбуждения тяговых электродвигателей.
Коммутирующее устройство 17, установленное в цепи якоря 3 тягового генератора 1, посредством каналов коммутации 18, 19 и 20 обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей 4, 5, 6, 7, 8, 9 с якорем 3. В цепях колесных пар 10, 12, 13, 15 установлены коммутирующие устройства 21, 22, 23 и 24, предназначенные для подключения к якорю 3 через скользящие контакты 25, 26, 27 и 28 колесных пар 10, 12, 13, 15 последовательно с тяговыми электродвигателями. При этом коммутирующие устройства 23 и 24 обеспечены каналами коммутации 29 и 30, предназначенными для подключения к передним по ходу движения колесным парам силовых электрических цепей тяговых электродвигателей средних колесных пар. Входы блока управления 31 коммутирующими устройствами подключены к выходам датчиков скорости 32, 33, 34, 35 тяговых электродвигателей 4, 6, 7, 9.
В качестве примера на фиг. 1 приведена схема электрической передачи тепловоза на постоянном токе с шестью ведущими колесными парами и параллельным соединением тяговых электродвигателей. В случае применения электрических передач на переменно-постоянном или переменном токе колесные пары аналогично включаются в цепь якоря тягового генератора на выходе выпрямительной установки. Отличия в типе соединения тяговых электродвигателей и числе ведущих колесных пар также не имеют принципиального значения.
Электрическая передача работает следующим образом.
к
Тяговый генератор 1 (фиг. 1) получает механическую энергию вращения от дизеля. При этом независимая обмотка возбуждения 2 генератора подключена к системе возбуждения (на фиг не показана), которая обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора 1. От якоря 3 генератора 1 поступает ток питания / на тяговые электродвигатели 4, 5, 6, 7, 8, 9, что создает вращающий момент электродвигателей, передаваемый далее через механические связи (тяговые редукторы) соответственно колесным парам 10. 11, 12, 13, 14, 15. Колесные пары установлены на рельсах 16 и образуют с последними пары трения, формирующие силу тяги тепловоза F. Наибольшая по сцеплению сила тяги тепловоза определяется по известной зависимости [1].
кл
и
F=ψηG,
и
где ψ - расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами; η - статический коэффициент использования сцепного веса локомотива G.
и
При этом величина коэффициента η определяется разгрузкой колесных пар, ограничивающей силу тяги локомотива.
На тепловозах с электрической передачей наиболее разгруженными в тяговом режиме работы являются передние колесные пары каждой тележки. На фиг. 1 такими колесными парами являются пары 10, 13 при движении тепловоза в одном направлении и 12, 15 при движении в другом направлении. Эти колесные пары первыми подвергаются боксованию при уменьшении коэффициента сцепления ψ, вызванном увлажнением рельсов, попаданием масла в контакт колеса и рельса и другими факторами.
p1
p2
p3
p4
р
р
г
2
Блок управления 31 производит дифференцирование сигналов по частотам ƒ, ƒ, ƒ и ƒ вращения роторов тяговых электродвигателей, поступающих на его входы с датчиков скорости 32, 33, 34, 35, которые связаны соответственно с электродвигателями 4, 6, 7, 9. Результатом дифференцирования для каждого электродвигателя является угловое ускорение его ротора е. В случае выделения для двух двигателей 4, 7 или 6, 9, механически связанных с колесными парами 10, 13 или 12, 15, хотя бы одного значения ε, которое в пересчете соответствует величине окружного ускорения колесной пары w≥0,5 м/с, блок управления 31 фиксирует возникновение режима боксования соответствующей колесной пары. Он подает сигналы на коммутирующие устройства 21, 23 или 22, 24. Коммутирующие устройства 21 или 22 подключают к цепи якоря 3 тягового генератора 1 колесные пары 10, 13 при движении тепловоза в одном направлении или 12, 15 при движении в другом направлении через скользящие контакты 25 или 26. Коммутирующие устройства 23 или 24 обеспечивают последовательное подключение к передним колесным парам силовых электрических цепей тяговых электродвигателей передних колесных пар и средних колесных пар посредством каналов коммутации 29 или 30 через скользящие контакты 27 или 28. После этого блок управления 31 подает сигналы на каналы коммутации 18, 19 или 19, 20 коммутирующего устройства 17, которые отключают прямые электрические соединения тяговых электродвигателей 4, 5, 7, 8 или 5, 6, 8, 9 с якорем тягового генератора. В результате образуется цепь для прохождения большей части тока генератора I по передним по ходу движения колесным парам тележек и рельсам 16 последовательно с отключенными от якоря 3 тяговыми электродвигателями, что приводит к значительному увеличению коэффициента сцепления ψ колес с рельсами.
1
2
1
При формировании таких электрических цепей происходит включение последовательно с тяговыми двигателями, механически связанными с передними по ходу движения, например, 10, 13 и средними 11, 14 колесными парами, сопротивлений скользящих контактов R и контактов колес с рельсами R (фиг. 2). Тяговые электродвигатели задних по ходу движения колесных пар тележек имеют прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора. Это обеспечивает прохождение меньших токов I по тяговым двигателям 4, 7, 5, 8 передних 10, 13 и средних 11, 14 колесных пар, и больших токов h по двигателям 6, 9 перегруженных задних 12, 15 колесных пар. Такое токораспределение позволит соответственно уменьшить вращающий момент двигателей передних и средних колесных пар и увеличить его у тяговых двигателей задних колесных пар. Благодаря этому уменьшаются касательные силы тяги, и предотвращается возможное боксование менее разгруженных средних колесных пар.
Уменьшение касательной силы тяги на наиболее разгруженных передних колесных парах происходит с одновременным повышением их наибольшей по сцеплению силы тяги, вызванным значительным увеличением коэффициента сцепления ψ колес с рельсами. В результате режим боксования передних колесных пар прекращается.
р
2
Момент окончания боксования также фиксируется блоком управления 31 (фиг. 1) путем измерения ε, соответствующего w<0,45 м/с. С целью сокращения числа переходных коммутационных процессов блок управления не подает сигнал на выключение коммутирующих устройств 17, 21, 22, 23, 24, и силовая электрическая цепь не переводится в исходное состояние до момента выхода тепловоза из зоны возможного боксования.
р
р
2
При регистрации сигналов ƒ датчиков скорости 32, 33, 34, 35, которые соответствуют в пересчете скорости движения локомотива V>15 км/ч, гарантирующей выход из зоны возможного боксования, и измерении ускорения е, соответствующего w<0,45 м/с блок управления 31 переводит схему электропередачи в исходное состояние путем отключения всех каналов коммутирующих устройств 17, 21, 22, 23 и 24.
Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в том, что в состав коммутирующих устройств дополнительно включены каналы коммутации, обеспечивающие по сигналам блока управления последовательное подключение к цепи якоря тягового генератора только передних по ходу движения колесных пар, находящихся в режиме боксования, что увеличивает их коэффициент сцепления, а также обеспечивает распределение токов по тяговым двигателям, предотвращающее боксование средних колесных пар. Это позволяет сократить число переходных коммутационных процессов в коммутирующих устройствах и скользящих контактах и, следовательно, повысить надежность электрической передачи.
Источники информации
1. Михальченко, Г.С. Теория и конструкция локомотивов: учебник для Вузов ж.-д. трансп. / Г.С. Михальченко и [др.]; под ред. Г.С. Михальченко - М.: Маршрут, 2006. - 584 с., С. 190-204.