Тепловоз с электрической передачей переменно переменного тока

Дизельэлектровоз

Теплово́з — автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно дизель. Название дизель-электровоз иногда применяется для тепловозов с электрической трансмиссией.

Появившийся в начале XX века тепловоз стал экономически выгодной заменой как низкоэффективным устаревшим паровозам, так и появившимся в то же время электровозам, рентабельным лишь на магистралях со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком.

За прошедший век было опробовано и внедрено множество усовершенствований в конструкции тепловоза: мощность дизеля возросла с нескольких сотен, а то и десятков лошадиных сил до трёх тысяч и выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи энергии двигателя на колёсные пары локомотива, значительно возросло удобство управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. Тепловозы строятся и используются по всему миру, успешно конкурируя с электровозами, выигрывая в автономности и отсутствии затрат на электрификацию железнодорожных магистралей. КПД дизеля в установившемся режиме выше, чем средний КПД тепловых электростанций.

Виды передач

Основной трудностью при попытках соединить вал дизеля напрямую с колёсными парами является разгон тепловоза и запуск дизеля. Делались попытки применить для этого сжатый воздух (то есть дизель при трогании с места работал как пневматический двигатель), однако запасов сжатого воздуха в баллонах не хватало для нормального разгона локомотива.

Механическая передача

Механическая передача включает фрикционную муфту и коробку передач с реверс-редуктором; она обладает малым весом и высоким КПД, однако при переключении передач неизбежно возникают рывки. На практике её используют на локомотивах малой мощности (мотовозах), дизель-поездах, дрезинах и автомотрисах.

Электрическая передача

Более эффективной передачей стала электрическая, при которой вал дизеля вращает якорь тягового генератора, питающего тяговые электродвигатели (ТЭД). В свою очередь вращательное движения якоря ТЭД передаётся колёсной паре с помощью осевого редуктора. Редуктор представляет собой соединённые зубчатые колёса, располагающиеся на якоре ТЭД и оси колёсной пары. В случае электропередачи поддерживается гиперболическая тяговая характеристика, когда увеличение сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение — ускорение локомотива. Электропередача позволяет соединять несколько секций тепловоза и управлять ими по системе многих единиц из одной кабины. Минусом её является большая масса и относительная дороговизна необходимого оборудования. В случае электропередачи возможно использование электродинамического торможения, суть которого заключается в использовании ТЭД в качестве генераторов, за счёт сопротивления вращению вала якоря которых осуществляющих торможение тепловоза (вырабатываемая электроэнергия гасится в тормозных резисторах). По сравнению с пневматическими тормозами электродинамическое торможение более эффективно, меньше износ тормозных колодок, снижается опасность юза колёсных пар.

Первоначально в тепловозах использовалась передача постоянного тока, однако в дальнейшем (в СССР это был конец 1960-х годов) передачу стали постепенно переводить на переменный ток. Первоначально на переменном токе стал работать генератор, после которого ток всё же выпрямлялся с помощью выпрямительной установки, далее поступая на ТЭД постоянного тока. В СССР первыми серийными тепловозами с передачей переменно-постоянного тока стали грузопассажирский экспортный ТЭ109, пассажирский ТЭП70 и грузовой 2ТЭ116.

Первый в мире тепловоз с асинхронными ТЭД переменного тока был построен компанией Brush Traction, а первым отечественным опытом использования асинхронных ТЭД стал опытный тепловоз ВМЭ1А. Особенностью использования асинхронных ТЭД является необходимость управления частотой их вращения для получения необходимой характеристики. В 1975 году в СССР на базе тепловоза ТЭ109 был построен опытный тепловоз ТЭ120 с электрической передачей переменного тока, где и генератор, и ТЭД использовали переменный ток. Электрической передачей переменного тока оснащён современный отечественный маневровый тепловоз ТЭМ21.

Использование генераторов и ТЭД переменного тока позволяет увеличить их мощность, а также снизить массу, повысить надёжность эксплуатации и упростить их обслуживание. Использование асинхронных тяговых двигателей, ставшее возможным после появления полупроводниковых тиристоров, значительно снижает возможность боксования тепловоза, что позволяет уменьшить массу локомотива, сохраняя его тяговые свойства. Даже в случае использования промежуточного выпрямительного блока применение генератора переменного тока и асинхронных ТЭД оказывается экономически оправданным. Передачи постоянного тока отличаются сравнительной простотой конструкции и продолжают использоваться на тепловозах мощностью до 2000 л. с.

Гидравлическая передача

В гидравлической передаче механическая энергия вала дизеля передаётся колёсной паре с помощью гидравлического оборудования (гидромуфт и гидротрансформаторов). В общем виде гидравлическое оборудование представляет собой комбинацию насосного колеса, связанного с валом двигателя, и турбинного колеса, соединённого с осью колёсной пары. Насосное и турбинное колесо находятся на небольшом расстоянии друг от друга, а промежуток между ними заполнен жидкостью (маслом), передающей энергию вращения насосного колеса турбинному. Регулировка передаваемого крутящего момента осуществляется изменением количества рабочей жидкости (масла) на лопатках насосного и турбинного колеса. Гидравлическая передача легче, чем электрическая, не требует расхода цветных металлов, но обладает меньшим КПД. В СССР применялась главным образом на маневровых тепловозах, а также на магистральных тепловозах малой мощности (ТГ102, ТГ16, ТГ22).

Делались также попытки создания тепловоза с воздушной и газовой передачей, однако они были признаны неуспешными.

Пульт машиниста маневрового тепловоза ЧМЭ3