Типы тяговых передач
На сегодняшний день применяется два типа тяговых передач - гидравлическая и электрическая. Существует еще и третий тип, применяемый на маломощных локомотивах - механическая. Она не столь распространена как первые две и описывать ее не буду.
Гидравлическая тяговая передача
По общему принципу напоминает "классическую" автоматическую коробку передач на автомобилях. В зависимости от модели и производителя гидропередача как узел состоит из гидротрансформаторов, динамической гидромуфты, редукторов и прочей необходимой обвязки. Все это управляется блоком автоматики, позволяющим обеспечивать расчетный тяговый момент, скорость и возможность работать по системе многих единиц.
Конструктивно гидропередача устанавливается в раме тепловоза. Входной вал устройства подключается к выходному валу дизельного двигателя. Выходные валы гидропередачи через карданные валы подключаются к редукторам колесных пар.
Также с помощью гидропередачи возможно реализовать гидростатический привод охлаждающего устройства (охлаждение дизельного двигателя) и компрессора. Что позволит уменьшить мощность вспомогательного генератора, отказаться от приводных валов и редукторов или электродвигателей. Гидродвигатели занимают значительно меньше места, что также поможет оптимизировать компоновку локомотива, единственный минус - цена.
За счет свой конструкции и минимума электрических узлов, гидропередачи являются неприхотливыми изделиями и могут эксплуатироваться в экваториальном и тропическом климатах, в прибрежных морских зонах.
На текущий момент лидером и единственным производителем серийных тепловозов с гидравлическим тяговым приводом является АО"Людиновский тепловозостроительный завод". На современном этапе развития предприятие выпустило и поставило на о. Сахалин 5 двухсекционных тепловозов ТГ16М с немецкой гидропередачей фирмы Voith. А также порядка 40 тепловозов ТГМ8км в Республику Куба, укомплектованных отечественной гидропередачей производства АО "Калужский завод путевых машин и гидроприводов". Кстати, калужский завод разработал и сертифицирует свой первый "легкий" тепловоз ТГМК2.
До сих пор предпринимаются попытки эксплуатировать тепловозы с электрической передачей в морских зонах. Как показала практика такие механизмы не долговечны и капризны в данных климатических условиях.
Тепловозы с гидроприводом комплектуются дизельными двигателями мощностью до ~1500 л.с. В силу физических ограничений более мощные гидропередачи нецелесообразно разрабатывать. Для увеличения мощности можно увеличить количество секций или применять тяговый электропривод.
На сегодняшний день в мире всего 4 производителя гидропередач для подвижного состава - Испания, Япония, Германия и РФ.
Электрическая тяговая передача
Электрический тяговый привод можно разделить на 2 типа. Использование коллекторных или асинхронных тяговых двигателей. Каждый двигатель управляется по-разному, что соответственно обуславливает разное оборудование. Ну и как итог разные тяговые характеристики.
Коллекторные тяговые двигатели
Принципиальная схема тягового привода с коллекторным двигателями проста и используется почти на всех тепловозах, эксплуатируемых в РФ. Дизельный двигатель вращает тяговый генератор, напряжение переменного тока поступает на выпрямительную установку. После чего ток поступает на тяговые электродвигатели. Еще такую схему называют переменно-постоянного тока.
Управление тяговыми двигателями происходит за счет коммутации поездных контакторов. В свою очередь система управления тепловоза управляет возбуждением тягового генератора и оборотами дизельного двигателя. За счет этого и происходит регулирование тягового усилия и задание скорости локомотива.
Изменение направления движения происходит за счет реверсирования обмотки возбуждения тягового двигателя. Отвечает за это специальный переключатель. Вообще вся тяговая аппаратура была специально создана для этих целей еще в Советские времена.
Интересный момент, контакторы и переключатели, используемые в цепях тягового привода электропневматические. Таким образом на тепловозах есть еще одна пневматическая магистраль, отвечающая за подачу сжатого воздуха к электропневматическим аппаратам. Плюс такой аппаратуры в том, что управление массивными растворами силовых контактов контакторов и переключателей осуществляет электромагнитный клапан (вентиль), а давление воздуха проходящее через него переключает аппарат и удерживает его в нужном положении, обеспечивая необходимое усилие. Ну а минус - необходимость пневматических подводов.
На сегодняшний день ряд российских предприятий разработали электромагнитные контакторы для тяговых цепей. Плюс их очевиден, но минусом является стоимость, хотя вероятно крупносерийное производство нивелирует цену. В Европе, например, такие аппараты применяют уже давно.
Подключение тяговых двигателей может быть реализовано параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. Также возможна гибридная схема, переключение с одного типа соединения на другой, например в тепловозе ТЭМ14.
Для увеличения скорости тепловоза в силовую схему включают резисторы и контакторы, отвечающие за ослабление возбуждения тяговых электродвигателей. При достижении определенной скорости наступает ограничение по напряжению и, для того чтобы повысить скорость, параллельно обмотки возбуждения двигателей подключают резисторы. Тем самым снижается магнитный поток через обмотку, так как ток будет проходить ещё и через резисторы. ПротивоЭДС также уменьшится, а напряжение на генераторе не изменится. Вследствие чего крутящий момент и ток двигателя будут повышаться. Количество ступеней и резисторы тщательно рассчитывают, чтобы получить оптимальную характеристику без ущерба для оборудования.
Ещё одной опцией является электродинамическое торможение. Простыми словами - торможение локомотива электродвигателями. Полезная функция, щадящая тормозные колодки и помогающая поддерживать скорость поезда на спусках.
При включении электродинамического тормоза тяговая схема разбирается и за счёт реверсивных переключателей собирает параллельно обмотки возбуждения и последовательно якори тяговых двигателей. В таком случае электродвигатель работает в генераторном режиме, а выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла на резисторах. Резисторы специально сконструированы под эти задачи и имеют принудительный обдув.
Регулирование тормозного усилия осуществляется включением определенного количества резисторов в схему. Включение осуществляют контакторы или специальные сборки на полупроводниковых ключах.
Асинхронный привод
С асинхронным приводом все сложнее. Передача энергии также осуществляется от дизельного двигателя через генератор и выпрямительную установку. Но всю энергию преобразует и распределяет тяговый преобразователь - сложное устройство, включающее в себя силовые полупроводниковые ключи, преобразователи, источники питания, свою систему управления и охлаждения.
Топология подключения потребителей к тяговому преобразователю в общем можно представить следующим образом:
- канал подключения тяговых асинхронных двигателей;
- канал подключения привода компрессора
- канал подключения привода охлаждающего устройства (охлаждение дизельного двигателя);
- канал подключения привода вентиляторов охлаждения тяговых асинхронных двигателей;
- канал электропитания бортовой сети;
- канал подключения тормозных резисторов (электродинамический тормоз);
В зависимости от проекта каналы могут заменяться отдельными устройствами, а также дополнительно комплектоваться каналами возбуждения тягового генератора, электропитания кондиционера и других ёмких потребителей.
Управляет тяговыми двигателями частотный преобразователь. Он задает скорость, момент за счет изменения частоты напряжения переменного тока, в постоянном режиме отслеживает состояние колесных пар (боксование или юз). Реверсирование, то есть изменение направления движения, также осуществляет преобразователь за счет изменения фазировки на двигателе.
Преимущества тягового асинхронного привода это поосное управление тепловозом, за счёт чего реализуется лучшая тяговая характеристика.
Опять же в Европе такой привод внедрён уже давно. А в нашей стране единственным серийным представителем является тепловоз 2ТЭ25А. Стоимость готового тепловоза с асинхронным тяговым приводом значительно дороже "классической" схемы тяговой передачи, из-за отсутствия готовых решений, опыта и номенклатуры покупных изделий. Обслуживание такого локомотива должен осуществлять квалифицированный персонал и в случае, если состав встал на перегоне уже не поставить "перемычку" и не уехать с него. Тем не менее будущее за асинхронным тяговым приводом.