Электрическая передача
Электрическая передача (ЭП) — широко применяемый на тяжёлых транспортных машинах способ всережимной передачи мощности двигателя внутреннего сгорания на движитель, предполагающий преобразование механической энергии вращения в электрическую и обратно, а также отсутствие жёсткой кинематической связи между первичным двигателем и движителем. В общем случае всегда состоит из тягового генератора и одного или нескольких тяговых электродвигателей. Выполняет функцию трансмиссии и решает аналогичные трансмиссии задачи: формирование гиперболической тяговой характеристики, движение вперёд-назад, трогание с места, разъединение первичного двигателя и движителя для работы первичного двигателя на холостом ходу. Область применения ЭП: городские автобусы, карьерные самосвалы, тяжёлые гусеничные трактора (танки), магистральные и маневровые тепловозы, морские теплоходы (дизель-электроходы, турбо-электроходы), морские суда-атомоходы (в том числе атомные подводные лодки).
Описание
Принцип работы
Механическая энергия вращения, вырабатываемая ДВС, который для любой ЭП является так называемым «первичным двигателем», передаётся на якорь тягового генератора, где превращается в электрическую энергию. Электрическая энергия в свою очередь передаётся по кабелям на тяговые электродвигатели, где превращается обратно в механическую энергию вращения для окончательной передачи на движитель транспортной машины. В процессе выработки и передачи электрическая энергия в ЭП может быть трансформирована по своей силе тока и напряжению без изменения мощности, что при необходимости позволяет сформировать гиперболическую тяговую характеристику самой транспортной машины при практически любой внешней скоростной характеристике первичного двигателя.
Управление
В любой ЭП возможно применение 4-х видов регуляторов: регулятор мощности тягового генератора; регулятор возбуждения тягового генератора; регуляторы преобразователей тока; регуляторы возбуждения и направления вращения тяговых электродвигателей. Регулятор мощности тягового генератора определяет его частоту вращения и связанную с этой конкретной частотой его мощность в кВт. (фактически этим регулятором по умолчанию является сам первичный двигатель). Остальные три регулятора позволяют тем или иным образом менять силу тока и напряжения, а также обеспечивают коммутацию элементов ЭП для включения/выключения и изменения направления вращения тяговых электродвигателей. В случае необходимости получения гиперболической тяговой характеристики таковую в первую очередь обеспечивает регулятор возбуждения тягового генератора, а во вторую очередь — регуляторы возбуждения тяговых электродвигателей.
Классификатор по «прозрачности»
ЭП могут быть классифицированы на «прозрачные» и «непрозрачные» по аналогии с гидравлическими передачами. Это неофициальная классификация, но она может встречаться в информационных материалах об ЭП. В так называемых «непрозрачных» ЭП тяговый генератор передаёт тяговым электродвигателям электрическую мощность при переменных значениях силы тока и напряжения. Подобные передачи в первую очередь нужны на наземных транспортных машинах с поршневыми ДВС, так как последние сами по себе не могут обеспечить транспортной машине гиперболическую тяговую характеристику. В так называемых «прозрачных» могут отсутствовать любые регуляторы, кроме регулятора мощности тягового генератора, а остаются только коммутационные аппараты для выключения и реверсирования. Подобные передачи могут применяться на судах (в том числе на подводных лодках), ввиду того, что гиперболическая тяговая характеристика судну не нужна.
Классификатор по току
В роли двух основных элементов ЭП — тягового генератора и тягового электродвигателя — могут быть использованы вращающиеся электрические машины как постоянного тока, так и переменного тока. В зависимости от рода тока тягового генератора и тяговых электродвигателей ЭП делятся на ЭП постоянно-постоянного тока (или просто ЭП постоянного тока), ЭП переменно-постоянного тока, ЭП переменно-переменного тока (или прото ЭП переменного тока), а ЭП постоянно-переменного тока не существует. Сам конкретный тип применяемых электрических машин под род тока может быть практически любой: коллекторные, вентильные, синхронные, асинхронные, прочие.
Электропередача постоянного тока
Включает в себя тяговый генератор постоянного тока и тяговые электродвигатели постоянного тока. Тяговый генератор — коллекторный с независимым возбуждением. Тяговые электродвигатели — коллекторные с последовательным возбуждением. На любой установленной частоте вращения тягового генератора управление частотой вращения тяговых электродвигателей здесь осуществляется двумя независимыми способами: изменением магнитного поля тягового генератора, изменением магнитного поля тяговых электродвигателей. То или иное направление вращения тяговых электродвигателей обычно обеспечивается изменением направления тока в их обмотках возбуждения посредством группового переключателя (реверсора).
ЭП постоянного тока является наиболее технологически доступной, и первые работоспособные ЭП транспортных машин были именно ЭП постоянного тока. Ранние конструкции непрозрачных тепловозных ЭП постоянного тока не имели систем автоматического регулирования, и за формирование гиперболической тяговой характеристики тепловоза отвечал машинист, управляя возбуждением генератора вручную отдельным контроллером на основании показаний вольтметра и амперметра (схема Вард-Леонарда). В середине 1940-х появились системы автоматического регулирования тягового генератора на основе отрицательной обратной связи по току тяговых электродвигателей (схема Лемпа). С середины 1950-х стало применяться регулирование возбуждения тяговых электродвигателей. В СССР/России наиболее совершенные системы автоматического регулирования применялись на последних серийных тепловозах с ЭП постоянного тока, выпускавшихся до начала 2000-х. В современной технике ЭП постоянного тока массово не применяются ввиду невыгодного соотношения массы коллекторного генератора к величине получаемой с него электрической мощности, относительно невысоких допустимых окружных скоростей якоря и необходимости в более частом техобслуживании щёточно-коллекторного узла. На сегодня (2020 год) транспортные машины (тепловозы в первую очередь) с ЭП постоянного тока серийно не производятся, но выпущенные ранее эксплуатируются.
Электропередача переменно-постоянного тока
Включает в себя тяговый генератор переменного тока, выпрямительную установку и тяговые электродвигатели постоянного тока. Тяговый генератор передачи обычно выполнен на основе многополюсной синхронной машины трёхфазного тока с независимым возбуждением, а тяговые электродвигатели обычно коллекторные с последовательным возбуждением. Также возможны и иные варианты тягового генератора (например, синхронный однофазный) и тяговых электродвигателей (например, вентильные), но наименьшую пульсацию выпрямленного напряжения (величины порядка 6-7%) обеспечивает именно трёхфазный синхронный генератор с двумя статорными обмотками, сдвинутыми относительно друг-друга на 30 эл. градусов. Выпрямительная установка обычно кремниевая полупроводниковая. Как и в случае ЭП постоянного тока при любой установленной частоте вращения тягового генератора управление частотой вращения тяговых электродвигателей здесь возможно двумя независимыми способами: изменением магнитного поля тягового генератора и изменением магнитного поля тяговых электродвигателей. Направление вращения тяговых электродвигателей обычно обеспечивается изменением направления тока в их обмотках возбуждения посредством группового переключателя (реверсора).
ЭП переменно-постоянного тока может работать с точно такими же тяговыми электродвигателями и с похожими системами автоматического регулирования как ЭП постоянного тока, и основное её отличие именно в тяговом генераторе. Конструктивное усложнение ЭП ввиду обязательной необходимости выпрямительной установки обусловлено преимуществами, которые даёт применение синхронного генератора переменного тока по сравнению с коллекторным генератором постоянного тока: почти вдвое меньшей массой на единицу вырабатываемой электрической мощности и преимуществом в эксплуатационной надёжности. И то и другое объясняется особенностями конструкции вращающихся электрических синхронных машин, а именно, отсутствием в них щёточно-коллекторного узла, что с одной стороны позволяет создавать генераторы с более высокими окружными скоростями на поверхности ротора, а значит сделать тяговый генератор более компактным и лёгким при той же мощности, а с другой стороны повышает надёжность токосъёма. Также, более высокие допустимые частоты вращения синхронных генераторов переменного тока позволяют соединять их с высокооборотными первичными двигателями, типа газотурбинных, без редуктора, а значит с существенной экономией по массе дизель-генераторной установки.
ЭП переменно-постоянного тока стали возможны только с появлением относительно нетяжёлых и надёжных кремниевых выпрямительных установок. Актуальны до сих пор (2020 год), и в непрозрачном варианте широко применяются на многих тяжёлых транспортных машинах, от карьерных самосвалов до крупных судов. Являются основным видом ЭП современных серийных магистральных и тяжёлых маневровых тепловозов российского производства.
Электропередача переменного тока
Включает в себя тяговый генератор переменного тока, тяговые электродвигатели переменного тока. С точки зрения типа применяемых вращающихся электрических машин ЭП переменного тока не имеет канонического вида, как ввиду отсутствия крупносерийного применения, подтверждённого практикой эксплуатации, так и ввиду различных эксплуатационных возможностей, которые даёт та или иная комбинация электрических машин, которые могут быть асинхронными, синхронными, вентильными. Простейшая ЭП переменного тока состоит из синхронного тягового генератора и асинхронных тяговых двигателей. Такая ЭП будет прозрачной, и крутящие моменты на валу тягового генератора и тягового электродвигателя будет пропорциональны. Формирование гиперболической тяговой характеристики при такой схеме затруднено, но она применима либо там, где в этом нет необходимости, либо в комбинации с турбовальным ГТД. Более сложные ЭП переменного тока могут включать в себя преобразователь, состоящий из выпрямителя и инвертора, и предполагать двойное преобразование рода тока: из переменного в постоянный и опять в переменный. Такая ЭП может быть «непрозрачной» и обеспечивать транспортной машине гиперболическую тяговую характеристику, что потенциально позволяет применять её на тепловозах с дизельными ДВС. Также возможны прочие схемы, в том числе с применением вентильных тяговых электродвигателей.
Преимущества и недостатки
Электрическая передача обеспечивает удобное изменение частоты и направления вращения на выходе, плавное трогание с места, а также распределение мощности на несколько ведущих колёс/осей; генераторная установка может быть расположена в любом месте транспортного средства независимо от расположения тяговых электродвигателей и не ограничивает (в пределах гибкости кабелей, питающих электродвигатели) перемещение электродвигателей относительно генератора, что значительно повышает простоту и надёжность механической части.
В то же время все компоненты электрической передачи имеют большую массу, а для их изготовления расходуется большое количество цветных металлов, прежде всего сильно дорожающей в 2010-х годах меди.
Применение
- Автобусы
- Карьерные самосвалы
- Тепловозы
- Трактора
- Бронетехника
- Теплоходы
- Атомоходы
- Гибридные автомобили
