Ступени ослабления поля
Подключение сопротивлений параллельно обмоткам возбуждения ТЭД называется ступенью ослабления поля. Все современные отечественные тепловозы (а также эксплуатируемые в России тепловозы чешского производства ЧМЭ3 всех индексов) имеют две ступени ослабления поля: первая ступень – уменьшение силы тока возбуждения примерно на 35 %, вторая – на 60 %.
Все современные тепловозы оборудованы индивидуальным приводом колёсных пар. Каждая колёсная пара приводится во вращение своим ТЭД. Все тепловозы, кроме восьмиосных ТЭМ7А, оборудованы трёхосными тележками: по две на тепловоз (секцию двух- или многосекционного локомотива). На большинстве серий тепловозов от одного тягового генератора получают питание шесть ТЭД.
Возможны четыре схемы соединения электродвигателей: последовательная (все шесть ТЭД – последовательно), две последовательно-параллельные (две параллельные группы по три ТЭД или три по два), параллельная (все ТЭД соединены параллельно).
Последовательная схема более устойчива к боксованию, чем последовательно-параллельная и параллельная. При параллельном соединении напряжение ТГ равно напряжению ТЭД, и при развитии боксования хотя бы одной из колёсных пар возрастание противоЭДС её ТЭД, сопровождающее боксование, вызывает существенное уменьшение якорного тока ТЭД. Соответственно уменьшается и ток тягового генератора, вследствие чего система автоматического регулирования передачи увеличивает напряжение ТГ, препятствуя таким образом снижению силы тяги боксующего двигателя.
Рис. Возможные схемы соединения ТЭД шестиосного тепловоза с электрической передачей постоянно-постоянного тока:
а – последовательная; б,в – последовательно-параллельные; г – параллельная; В – возбудитель; ТГ – тяговый генератор; ТД1 – ТД6 – тяговые электродвигатели; Н1-Н2, С1-С2 – обмотки возбуждения.
При последовательно-параллельном и последовательном соединениях напряжение ТГ равно сумме двух, трёх или шести напряжений ТЭД и возрастание противоЭДС одного боксующего двигателя не вызывает столь существенного снижения силы якорного тока.
Наряду с этим последовательное и последовательно-параллельное соединения обладают и рядом недостатков.
Сила якорного тока ТЭД при последовательном соединении равна силе якорного тока ТГ (при последовательно-параллельном – половине или трети силы тока ТГ), в то время как при параллельном сила якорного тока составляет лишь одну шестую часть силы якорного тока ТГ. В связи с этим сконструировать тепловоз большой мощности с последовательным или последовательно-параллельным соединением ТЭД невозможно из-за проблем, связанных с охлаждением ТЭД (Наиболее мощные тепловозы с последовательно-параллельным соединением ТЭД – ТЭ3 и ТЭ7 – имели дизели мощностью 2000 л.с. в одной секции).
Другой существенный недостаток последовательно-параллельной схемы соединения ТЭД – это необходимость отключения сразу нескольких ТЭД (двух или трёх) в случае неисправности одного. Тепловоз с последовательным соединением вовсе не может работать с отключенным ТЭД.
Современные маневровые тепловозы с передачей постоянно-постоянного тока оборудованы последовательно-параллельной схемой соединения ТЭД: на ТЭМ2 всех индексов, ТЭМ15, ТЭМ17, ТЭМ18 (мощность дизеля 1200 л.с.) применяется соединение в две группы по три ТЭД; на тепловозах чешского производства ЧМЭ3 всех индексов (мощность дизеля 1350 л.с.) – соединение в три группы по два ТЭД.
На всех ныне эксплуатируемых магистральных тепловозах с передачей постоянно-постоянного тока (М62, 2М62, 3М62, ТЭ10, 2ТЭ10, 3ТЭ10, 4ТЭ10 различных индексов, ТЭП60, 2ТЭП60), а также на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока (2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7А) применена параллельная схема соединения.
Последовательное соединение ТЭД используется на тепловозах, предназначенных для работы с путевыми машинами тяжёлого типа (специально модернизированные 2ТЭ121 и 2ТЭ116), а также на тепловозах, оборудованных электрическим тормозом (ЭТ), в режиме торможения (ТЭП70 и некоторые 2ТЭ116). В настоящее время электрическое торможение тепловозов практически не используется.
В процессе работы периодически возникает необходимость в изменении направления движения (реверсировании) тепловоза. При этом о тепловозе (секции тепловоза) с кузовом вагонного типа принято говорить, что он (она) движется вперёд в том случае, если первой по ходу движения оказывается кабина, возле которой расположена высоковольтная камера (для бескабинной секции на трёх- и четырёхсекционных тепловозах речь идёт о торце, ближнем к высоковольтной камере). Моторный вагон дизель-поезда считается движущимся вперёд при движении вперёд кабиной управления. Считается также, что тепловоз капотного типа движется вперёд в том случае, если он движется вперёд тем капотом, в котором расположен дизель. В противном случае считается, что тепловоз (секция, моторный вагон) движется назад.
Направление движения тепловоза (секции, моторного вагона дизель-поезда) может не совпадать с реальным направлением движения поезда, у дизель-поезда, а также у двухсекционного тепловоза секции (вагоны) всегда движутся, условно говоря, в разные стороны, поскольку в разные стороны развёрнуты их кабины.
Реверсирование электродвигателя осуществляется, как известно, изменением направления якорного тока или тока возбуждения. Для электродвигателей последовательного возбуждения единственно возможный способ реверсирования – изменение схемы подключения обмотки возбуждения.
Рис. Схема реверсирования электродвигателя последовательного возбуждения:
ТД – тяговый электродвигатель; С1-С2 – обмотка возбуждения.
Силовые коммутирующие аппараты тепловозов с электрической передачей. Соединение и разрыв электрических цепей при реверсировании тепловоза, включении и выключении тяги, включении и выключении ослабления поля осуществляются контактными коммутирующими аппаратами: электромагнитными и электропневматическими контакторами и электропневматическими групповыми коммутирующими аппаратами.
Изменение схемы подключения обмоток возбуждения ТЭД при реверсировании осуществляется групповым электропневматическим аппаратом – реверсором. Привод реверсора пневматический. Реверсор имеет два положения – «Вперёд» и «Назад». Перевод из одного положения в другое осуществляется подачей питания на соответствующий электропневматический вентиль, открывающий доступ сжатого воздуха к одной из диафрагм (на тепловозах ЧМЭ3 – к одному из пневмоцилиндров) привода.
Рис. Схема реверсирования, включения-отключения тяги и шунтирования обмоток возбуждения ТЭД тепловоза, оборудованного электрической передачей постоянно-постоянного тока с последовательно-параллельным соединением ТЭД:
В – возбудитель; КВ – контактор возбудителя; ВВ – контактор возбуждения возбудителя; ТГ – тяговый генератор; П1, П2 – поездные контакторы; КР – контактор реверсора; КШ1-КШ4 – контакторы ослабления поля; RКШ1- RКШ4 – резисторы; С1-С2, Н1-Н2 – обмотка возбуждения.
При движении тепловоза в режиме тяги катушка вентиля соответствующего направления постоянно находится под питанием. Этим обеспечивается невозможность самопроизвольного разворота реверсора под действием вибрации или вследствие поступления постороннего питания на катушку вентиля противоположного направления. Подобный самопроизвольный разворот чреват размыканием контактов реверсора при протекании по ним сильных токов, что ведёт к выжиганию их электрической дугой.
На принципиальных электрических схемах электропневматические вентили реверсора обозначают в соответствии с направлением В и Н. Контакты реверсора обозначают ПР (пневматический реверсор), при этом контакты, замкнутые в положении «Вперёд», условно изображают нормально замкнутыми, а замкнутые в положении «Назад» - нормально разомкнутыми.
Поскольку одна контактная группа реверсора реверсирует сразу несколько ТЭД, соединённых последовательно, то число контактных групп реверсора равно числу параллельных ветвей ТЭД: две – у ТЭМ2 всех индексов, ТЭМ15, ТЭМ17, ТЭМ18; три – у ЧМЭ3 всех индексов, шесть – у всех шестиосных магистральных локомотивов (секций). Восьмиосный тепловоз ТЭМ7А оборудован двумя реверсорами, каждый из которых имеет по четыре контактные группы.
Для выключения тяги на тепловозе необходимо, чтобы сила якорного тока ТЭД стала равна нулю. Для этого недостаточно снизить до нуля силу тока в обмотке возбуждения ТГ (даже разорвав цепь её питания). Ввиду остаточной намагниченности полюсов статора тягового генератора, и при отсутствии тока в обмотке возбуждения его напряжение не падает до нуля. Последнее обстоятельство вызывает необходимость в разрыве цепей, соединяющих Тг и ТЭД при выключении тяги.
Разрыв этот осуществляется электропневматическими контакторами, называемыми поездными; электропневматические вентили их приводов, равно как и их контакты, на схемах принято обозначать П (или КП).
Один поездной контактор разрывает цепь одной группы ТЭД, соединённых последовательно, таким образом, что число поездных контакторов равно числу параллельных ветвей ТЭД: два – на ТЭМ2 всех индексов, ТЭМ15, ТЭМ17, ТЭМ18; три – на ЧМЭ3 всех индексов; шесть – на современных магистральных локомотивах (одна секция) и восемь – на ТЭМ7А. В обозначение поездного контактора включают номер параллельной ветви (ТЭД при параллельном соединение), которую он коммутирует: П1, П2 или КП1, КП2 и т.д.
Установка поездных контакторов в каждой параллельной ветви обеспечивает возможность аварийного режима работы тепловоза при неисправном ТЭД: для отключения ветви, в которой находится неисправный двигатель, достаточно разорвать цепь катушки электропневматического вентиля соответствующего поездного контактора.
При разомкнутых поездных контакторах силы токов ТЭД и ТГ равны нулю, в силу чего при развороте реверсора ток через его контакты не протекает. Это позволяет не оборудовать реверсоры устройствами дугогашения.
При разборке схемы тяги необходимо разорвать цепь питания обмотки возбуждения ТГ, после чего напряжение генератора упадёт до минимальной величины, обусловленной остаточной намагниченностью его полюсов. Затем размыкают поездные контакторы. Размыкание последних при минимальных токах ТЭД обеспечивает минимизацию подгара их контактов.
Коммутация обмотки возбуждения ТГ осуществляется электромагнитным контактором возбудителя генератора, обозначаемого на принципиальных электрических схемах КВ или КВГ.
Одновременно со сборкой (разборкой) цепи обмотки возбуждения ТГ производится сборка (разборка) цепи обмотки возбуждения возбудителя. Коммутацию цепи осуществляет электромагнитный контактор возбуждения возбудителя, обозначаемый на принципиальных электрических схемах ВВ или КВВ. На тепловозах ЧМЭ3 всех индексов коммутация цепей обмоток генератора и возбудителя выполняется двумя контактными группами одного контактора возбудителя КВ.
Подключение и отключение сопротивлений ослабления поля, шунтирующих обмотки возбуждения ТЭД, осуществляется электропневматическими или электромагнитными контакторами, называемыми контакторами ослабления поля и обозначаемыми на принципиальных электрических схемах Ш, ВШ или КШ.
Один контакт контактора ослабления поля коммутирует шунтирующую цепь обмоток возбуждения одной группы ТЭД, соединённых последовательно, поэтому общее число контакторов в два раза больше числа параллельных ветвей ТЭД: на ТЭМ2 всех индексов, ТЭМ15, ТЭМ17, ТЭМ18 – четыре электромагнитных контактора; на тепловозах ЧМЭ3 всех индексов – шесть электромагнитных контакторов.
На современных магистральных тепловозах применяют многоконтактные (групповые) электропневматические контакторы ослабления поля – два шестиконтактных контактора, по одному для каждой ступени. На тепловозах серии ТЭМ7А устанавливают четыре четырёхконтактных групповых электропневматических контактора, по два для каждой ступени.
Все силовые коммутирующие аппараты оборудованы замыкающими и размыкающими блок-контактами, включаемыми в цепи управления и позволяющими контролировать фактическое замыкание и размыкание аппаратов.