Как работает двигатель поезда

Ретроспектива развития тягового привода железнодорожных экипажей

Формальной причиной появления этой статьи стала недавняя замечательная публикация «Электрический путь в век скоростей», в которой автор изложил исторические факты о первых, весьма не робких, шагах в развитии высокоскоростного железнодорожного сообщения, предпринятых в Германии в конце XIX начале XX века. Мне, как человеку некоторым образом связанному с железнодорожным транспортом, упомянутая статья понравилась тем, что она осветила, пусть и в публицистической форме, историю первого применения асинхронного двигателя в качестве тягового двигателя железнодорожного экипажа. Впечатляет и масштаб рекорда скорости, достигнутого электровагоном AEG — ведь, на минуточку, дело было в 1903 году! Такой успех технически во многом обусловлен применением именно бесколлекторного двигателя переменного тока.

Возникает вопрос — почему, показав столь впечатляющий результат, асинхронный тяговый двигатель исчез со сцены почти на столетие, уступив место коллекторному двигателю постоянного тока? Причин этому много, и главная из них — отнюдь не тройной токоприемник, как могло бы показаться. На этот вопрос я и постараюсь ответить в этой статье.

1. Двигатель, как преобразователь механической энергии

Начнем, как положено, с определения: двигатель — это преобразователь энергии первичного источника в энергию механического движения. Вне зависимости от того, что является первичным источником энергии, эффективность любого двигателя определяется двумя основными показателями — его номинальной мощностью и коэффициентом полезного действия (КПД). Между КПД η и мгновенной механической мощностью P₂, развиваемой двигателем, существует весьма любопытная зависимость

говорящая нам о том, что максимальный КПД η_м, а соответственно и минимальные потери энергии, потребляемые от первичного источника, достигается обычно при реализации двигателем мощности, близкой к номинальной.

Отсюда легко делается вывод, что идеальным, с точки зрения минимизации потерь, является работа двигателя в режиме реализации постоянной мощности, близкой к номинальной. Этот принцип хорошо подходит для приводов, работающих в постоянном диапазоне скоростей и нагрузок. Подавляющее большинство промышленных механизмов, в которых требуется применение электрического привода удовлетворяют этому условию.

Иначе дело обстоит в тяговом приводе транспортных средств (в том числе и железнодорожных экипажей), где диапазон реализуемых скоростей движения и нагрузок может варьироваться в весьма широких пределах. Учитывая, что большинство эксплуатируемых двигателей преобразуют энергию первичного источника во вращательное движение, можно рассмотреть известную со школьной скамьи зависимость

где P₂ — мгновенная механическая мощность на валу двигателя; M — мгновенный момент, развиваемый двигателем; ω — угловая скорость вращения вала двигателя. Тогда, исходя из условия обеспечения постоянной механической мощности, равной номинальной, мы придем к выводу, что момент, развиваемый двигателем должен находиться в обратной пропорции к скорости вращения его вала

которая выражается в виде гиперболической части кривой, приведенной на графике ниже.

Если обеспечить регулирование момента двигателя в соответствии с зависимостью (1), то на гиперболическом участке данной характеристики, увеличение нагрузки на привод будет приводить к снижению угловой скорости его вращения, с одновременным увеличением развиваемого момента, и наоборот — уменьшение нагрузки приведет к увеличению скорости вращения двигателя при пропорциональном снижении момента. При этом будет обеспечиваться наиболее эффективный режим работы на постоянной мощности.

Безусловно, при этом существуют как минимум два ограничения — по максимальному моменту, который способен развить двигатель данного типа, а так же по максимальной скорости вращения его вала, которую обуславливают динамические свойства самого двигателя, и того механизма, который он приводит в движение. Зависимость, изображенную на рисунке принято называть тяговой характеристикой привода.

При внешней похожести и смысле, не следует путать тяговую и естественную механическую характеристики двигателя, хотя по сути это одно и то же, с той лишь разницей, что тяговая характеристика является искусственной механической характеристикой, форма которой обусловлена законом управления двигателем в приводе. Естественная механическая характеристика, которая для электрического двигателя рассчитывается и строится при условии его прямого включения в питающую сеть может существенно отличатся от тяговой характеристики, которую следует обеспечить. Более того, для большинства известных типов электрических машин так оно и есть, за одним, очень важным, исключением. Это исключение и определило, на долгие годы, вектор развития тягового привода железнодорожных экипажей, но обо всем по порядку.

Для тягового привода наземного транспорта, в том числе и железнодорожного, в тяговой характеристике может присутствовать еще одно ограничение — ограничение по сцеплению движителя с опорной поверхностью. Для железнодорожной техники — ограничение по сцеплению колес с рельсами. В этом случае, типовая тяговая характеристика железнодорожного экипажа будет иметь такой вид

Такая форма тяговой характеристики характерна для мощных локомотивов, в большинстве случаев грузовых, или пассажирских, предназначенных для вождения длинных поездов по сложному профилю, и имеющих тяговые возможности, достаточные для нарушения сцепления колес с рельсами. Для большинства серий моторвагонного подвижного состава, в виду применения распределенной по всему поезду тяги, ограничение по сцеплению, чаще всего, лежит выше ограничения по максимальному моменту, и тогда в качестве тяговой характеристики мы имеем кривую с предыдущего рисунка.

В любом случае, приведенные кривые, характеризуют главные свойства тягового привода подвижного состава — обеспечивать регулирование тягового момента, в зависимости от текущей скорости движения, с целью обеспечения постоянной мощности на валах тяговых двигателей. Вопрос только в том, какой двигатель вполне удовлетворяет этим условиям?

2. «Жесткая» и «мягкая» механические характеристики двигателя

Двигатели (будем понимать под двигателем теперь, разумеется электрический двигатель) можно классифицировать по характеру изменения скорости при изменении нагрузки на валу, разделяя их таким образом на двигатели с «жесткой» и «мягкой» естественной механической характеристикой.

Механическая характеристика называется «жесткой», если изменение момента нагрузки на валу двигателя приводит к незначительному изменению угловой скорости его вращения, что можно выразить условием

Механическая характеристика называется «мягкой», если изменение момента нагрузки на валу двигателя, приводит к существенному изменению и скорости его вращения

Нетрудно показать, что на гиперболической ветви тяговой характеристики, о которой мы говорили выше, в режиме реализации постоянной номинальной мощности, для малых отклонений момента и угловой скорости от номинального режима справедливо

что говорит нам о том, что тяговая характеристика является «мягкой». Соответственно, для её реализации на практике, с применением в приводе двигателя с «жесткой» естественной механической характеристикой, неизбежно применение системы управления приводом.

3. Асинхронный электродвигатель в качестве тягового в начале XX века

В теме асинхронной электрический машины, её конструкции и теории, отметились масса ученых и инженеров, в том числе и легендарный Никола Тесла, получивший в 1888 году в США патент на машину такого типа. Однако, жизнь идея такого двигателя получила после получения немецким ученым русского происхождения Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским патента на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка» в 1889 году. Чуть позже, в 1890 году, им же разработана и система трехфазного тока для питания такого двигателя. Работал Михаил Осипович в той самой немецкой фирме AEG, за которой закрепился рекорд скорости электровагона в 210,2 км/ч, достигнутой в 1903 году.

Появление этого двигателя перевернуло мировую промышленность. Простая конструкция, а значит и высокая надежность, широкие возможности по реализации высоких мощностей сделали трехфазный асинхронный двигатель самым распространенным в промышленном электроприводе. Естественно, что железнодорожные инженеры сразу схватились за идею применения этого двигателя в качестве тягового. Однако, до массовой реализации их идей в конце XIX начале XX века было ещё далеко, и вот почему.

В простейшем случае, для установившихся режимов работы, естественная механическая характеристика асинхронного тягового двигателя (АТЭД) описывается так называемой формулой Клосса

так называемое скольжение ротора, вращающегося с угловой скоростью ω относительно магнитного поля статора, вращающегося с угловой скоростью ω₀. Графически данную зависимость легко выразить кривой

Как нетрудно догадаться, рабочая часть механической характеристики асинхронного двигателя является «жесткой». Кроме того, при увеличении нагрузки на валу более M_max, происходит потеря устойчивости привода, двигатель быстро останавливается, как принято говорить — «опрокидывается».

Поэтому, обеспечить режим реализации постоянной мощности на естественной характеристике АТЭД невозможно, а значит он непригоден для использования в качестве тягового без применения специальной системы управления моментом, которая позволила бы обеспечить требуемую для железнодорожного подвижного состава тяговую характеристику.

Управление же моментом АТЭД реализуется, в силу принципа его действия, путем регулирования амплитуды и мгновенной фазы питающего напряжения. По состоянию на 1903 год в распоряжении железнодорожников не было эффективных силовых преобразователей электрического напряжения, пригодных для решения этой задачи. Идею использовать асинхронную машину в качестве тяговой инженерам пришлось положить на полку.

4. Коллекторный двигатель постоянного тока, в качестве тягового

Коллекторная машина постоянного тока обладает различными свойствами, в зависимости от того, какая схема возбуждения используется при её работе.

При независимом (обмотки возбуждения и обмотки якоря питаются от разных источников) и параллельном возбуждении (когда обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря), двигатель постоянного тока (ДПТ) имеет «жесткую» естественную механическую характеристику, и так же мало пригоден в качестве тяговой машины. Но всё меняется, если обмотку возбуждения и обмотку якоря соединить последовательно

На рисунке справа показана естественная механическая характеристика для ДПТ с последовательным (сериесным) возбуждением. Ничего не напоминает? Нет, конечно же это не гипербола, но кривая достаточно близкая к ней. Соответственно, при прямом включении в сеть, ДПТ с последовательным возбуждением приблизительно обеспечивает требуемый режим работы тягового привода. Конечно, при пуске тягового двигателя, он не сразу включается в сеть, а работает на искусственных, реостатных характеристиках — напряжение, подаваемое на двигатель ограничивается пусковыми реостатами, выводимыми из цепи, по мере разгона двигателя. К тому же, при использовании на локомотиве нескольких ТЭД, используют группировку тяговых двигателей, соединяя их последовательно (С-соединение), последовательно-параллельно (СП-соединение) и параллельно (П-соединение). В дополнение ко всему, на каждом виде соединения двигателей применяют несколько ступеней ослабления возбуждения ТЭД, путем шунтирования обмотки возбуждения резисторами.

Такая технология была доступна железнодорожным инженерам начала XX века. Она позволила достаточно гибко управлять мощностью тягового привода на электровозах и электропоездах. Именно поэтому первые линии, где эксплуатировался электрический подвижной состав стали электрифицировать постоянным током. В нашей стране напряжение в контактной сети постоянного тока было приято на уровне 1,5 кВ, по величине номинального напряжения ДПТ работавших в качестве ТЭД. Затем, довольно быстро, его подняли до 3 кВ. Были планы электрификации участков железных дорог на постоянном токе напряжением 6 кВ, но тут подоспели ртутные выпрямители (игнитроны), и железная дорога быстро перебралась на электрификацию однофазным переменным током с напряжением 25 кВ, как более перспективную для участков большой протяженности. Но трудился в электровозах переменного тока по прежнему старый добрый ДПТ с последовательным возбуждением.

ДПТ с последовательным возбуждением, дешево и сердито, без применения сложной системы управления позволял реализовывать требуемые подвижному составу тяговые свойства. Но при этом он обладает массой недостатков.

Сериесный тяговый двигатель, из-за своей «мягкой» естественной механической характеристики склонен к резкому увеличению скорости вращения, при снижении нагрузки на его валу. Без нагрузки такой двигатель вообще нельзя запускать — он пойдет «вразнос».

На железнодорожном транспорте это приводит к тому, что при снижении сцепления колес с рельсами начинается лавинообразный процесс проскальзывания колес — как говорят железнодорожники — «боксование». Сериесный ТЭД склонен к боксованию, именно поэтому локомотив везет на борту запас песка, который подают под колеса специальными песочными форсунками. Кроме того, применяют и меры по ликвидации боксования со стороны схемы управления приводом.

Другой недостаток этого двигателя связан с тем, что он коллекторный. Коллекторно-щеточный узел и так является довольно сложной и капризной частью двигателя. А при увеличении мощности, неизбежно увеличение и габаритов этого узла, а конкретно — диаметра коллектора. В противном случае возникают проблемы коммутации на коллекторе, приводящие в конечном счете к быстрому выходу всего узла из строя. Коллекторный ТЭД невозможно бесконечно масштабировать по мощности — настанет момент, когда двигатель просто не впишется в габарит тележки. Этот момент наступает при мощностях ТЭД свыше 1000 кВт.

Из того подвижного состава, что эксплуатируют наши железные дороги, к этому пределу подошел электровоз ЧС200. Он оснащен поистине монструозными сериесными ДПТ мощностью аж 1050 кВт. Чешский двигатель 1AL-4741FLT является двигателем предельных для ж/д транспорта параметров. Дальнейшего ресурса увеличения осевой мощности у подвижного состава с коллекторными ТЭД нет и не может быть.

Инженерам стало понятно, хотя во времена электромоторисы AEG они наверняка и догадывались, что перешагнуть предел в тысячу киловатт способен только бесколлекторный тяговый двигатель переменного тока.

5. Возвращение джедая

Глазами инженера наших дней, цепочка преобразования энергии, пригодная для реализации управления моментом многофазного двигателя переменного тока выглядит элементарно.

1. Однофазный переменный ток из контактной сети преобразуется к требуемой величине напряжения тяговым трансформатором
2. Пониженное напряжение выпрямляется, обеспечивая так называемое «звено постоянного тока» напряжением 3 кВ. За это отвечает либо управляемый тиристорный выпрямитель, но чаще — 4-квадрантный преобразователь.
3. Постоянное напряжение преобразуется в трехфазное напряжение с регулированием амплитуды и мгновенной фазы. Это реализуется с помощью управляемого автономного инвертора напряжения (АИН)

Если же линия, на которой эксплуатируется подвижной состав электрифицирована на постоянном токе, то это постоянное напряжение сразу подается на вход АИН.

Одна беда — реализация АИН крайне трудна без использования так называемых двухоперационных силовых ключей. Двухоперационными они называются, потому, что обеспечивают возможность как открытия, так и закрытия в любой момент времени, по желанию системы управления преобразователем.

Исторически первым полупроводниковым управляемым ключем стал силовой тиристор — но это ключ однооперационный, так открыть его можно, а вот закрыть — надо ещё постараться, ибо тиристор закрывается только при снижении прямого тока ниже порогового значения. Однако, после появления достаточно качественных силовых тиристоров, на них стали строить автономные инверторы тока (АИТ) и автономные инверторы напряжения (АИН), которые сразу стали пытаться применять на подвижном составе для питания АТЭД. И эта вторая итерация, произошедшая спустя полвека после рекорда AEG, хоть и оказалась довольно неудачной, но принесла понимание того, что внедрение АТЭД на подвижной состав не за горами.

В нашей стране, традиционно отстававшей в области силовой электроники, тем не менее так же предпринимались попытки внедрить АТЭД на подвижной состав. Первой попыткой стал электровоз ВЛ80а, содержавший в себе макетную секцию с асинхронными тяговыми двигателями.

С появлением двухоперационных силовых ключей, которыми стали GTO-тиристоры, как за рубежом, так и в нашей стране, интерес к асинхронному тяговому приводу вспыхнул с новой силой. У нас это выразилось в создании (совместно с финской фирмой Кюми-Стрёмберг, поставлявшей тяговые преобразователи) опытного электровоза ВЛ86ф

Этот электровоз пал жертвой распада СССР, так и не войдя в серию. Ваш покорный слуга имел честь лицезреть и трогать своими руками одну из его секций на испытательной станции НЭВЗ в 2008 году. В 2013 году эту секцию порезали на металлолом. Секция, оставшаяся на Щербинке прожила на 6 лет дольше и была утилизирована в 2019 году.

Тем не менее, за рубежом применение асинхронного привода на подвижном составе встало на широкую ногу. Не отставали и мы, с использованием опыта и при сотрудничестве с компанией Bombardier было построено 12 пассажирских электровозов ЭП10, с асинхронным тяговым приводом, с применением всё тех же GTO-тиристоров.

Судьба этих машин неоднозначна. Электровоз в целом хорошо показал себя в эксплуатации и полюбился локомотивным бригадам. Но это касалось его характеристик как локомотива и качества системы управления. Существовал ряд проблем, из-за которых большая часть этих машин отставлены от работы. Две из них я наблюдаю за забором станции Ростов Главный на территории Ростовского электровозоремонтного завода.

В 2012 году в строй вступил электровоз ЭП20, который показан на КДПВ, но я приведу его фото ещё раз.

Этот электровоз создан в консорциуме с французской компанией Alstom. В его силовой схеме уже содержатся 4-квадрантные преобразователь и АИН, построенные на наиболее перспективных на сегодняшний день силовых ключах — IGBT-транзисторах.

ЭП20 был готов стать платформой для создания серии отечественных электровозов переменного и постоянного тока, как грузовых так и пассажирских, с асинхронным приводом. Одна машина, а именно грузовой электровоз 2ЭС5 «Скиф», в виде опытной серии в 5 единиц, была создана.

Дороговизна импортной силовой электроники вынудила РЖД отказаться от «Скифа». Созданные машины успешно эксплуатируются по сей день в депо Тимашевская.

Намного больше повезло электровозу 2ЭС10 «Гранит», созданному компанией «Группа Синара» совместно с концерном Siemens. В разных модификациях на сегодняшний день выпущено 248 машин, успешно эксплуатируемых на участках железных дорог, электрифицированных постоянным током с напряжением в контактной сети 3 кВ.

На смену ему уже создан и проходит испытания электровоз 2ЭС8 и его трехсекционный собрат 3ЭС8 («Малахит»), созданный уже с применением отечественных асинхронных двигателей и силовых преобразователей.

Для линий переменного тока, на смену электровозу 2ЭС5 «Скиф» разработаны и проходят испытания электровозы 2ЭС5С и 3ЭС5С «Атаман»

К сожалению, на сегодняшний день, среди парка отечественных электровозов, доля машин с двигателями переменного тока крайне низкая — выпущено серийно и эксплуатируется чуть более 300 машин. Однако, коллекторный двигатель начинает сдавать свои позиции, в пользу асинхронного, обладающего жесткой механической характеристикой, а значит менее склонного к боксованию. Легко достижимы мощности свыше 1000 кВт. Тяговые двигатели НТА-1200 (ЭП10) и ДТА-1200 (ЭП20) впервые превысили этот порог, развив осевую мощность в 1200 кВт. В этой связи, препятствием к повышению осевой мощности и силы тяги локомотива в нашей стране становится путь — рельс Р65 используемый повсеместно допускает максимальную нагрузку от колесной пары на рельсы не боле 24 тонн, что накладывает ограничение на так называемый сцепной вес — масса локомотива, приходящаяся на обмоторенные колесные пары. Восьмиосный грузовой электровоз не может весить более 192 тонн, что дает предел к развиваемому им тяговому усилию. Так что кроме проблемы управления, на пути развития асинхронного привода встают и проблемы инфраструктуры, которая не готова к серьезному повышению тяги локомотивов.

Заключение

Как видно, путь асинхронного двигателя, как тяговой электрической машины, во многом определялся развитием силовой электроники. Надежный и неприхотливый по конструкции, он оказался крайне капризным в плане управления, и прошел довольно тернистый путь к внедрению на подвижной состав.

Сейчас, как и почти 120 лет назад, понятно, что будущее принадлежит бесколлекторному приводу переменного тока и рано или поздно, сериесный ДПТ уйдет в прошлое.

• двигатель
• асинхронный двигатель
• подвижной состав
• тяговый привод
• железная дорога

Как работает двигатель поезда

Поезда стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы уже не задумываемся о том, как они работают. Ушли в прошлое паровозы. Сейчас увидеть, как кочегар кидает в паровозную топку уголь, можно только в старых фильмах. На смену энергии парового котла пришла энергия дизельных и электродвигателей. Количество вагонов в составе стало намного больше. Длина грузовых поездов достигает полутора километров. Поезда могут перевозить грузы на огромные расстояния. почему поезд не сходит с рельсов, читайте здесь https://rasp.msk.ru/sovety/poezd/pochemu-poezd-ne-skhodit-s-relsov.

Как устроены современные локомотивы

Чтобы привести вагоны в движение нужен локомотив. Локомотив работает, используя электроэнергию, которую получает через токоприёмники от протянутых сверху проводов, или от мотора на дизельном топливе. Эта энергия вращает колёса локомотива, приводя его в движение. Он едет сам и тянет за собой десятки вагонов.

Дизельное топливо используется для вырабатывания электроэнергии генератором. Эта электроэнергия приводит в движение мотор, вращающий колёса. По способу получения энергии они называются:

• электровозами;
• тепловозами.

Электровоз отличается большой мощностью. Может работать в любых климатических зонах, особенно это важно для регионов с холодным климатом.

Тепловоз полностью автономный. Даже в случае поломки, он может переключиться на запасную секцию и доехать до станции. В подобной ситуации на помощь электровозу вызывают тепловоз.

Как устроен поезд

Что такое поезд вообще? Это ряд вагонов без двигателя, тянет которые по рельсам локомотив. Он же движется за счет мотора – электрического или комбинированного (дизеля и электродвигателя). Один локомотив может тянуть несколько десятков вагонов. Когда одного локомотива недостаточно, то состав тянет пара или даже несколько пар электровозов или локомотивов. По теме мы уже писали здесь /sovety/poezd/kak-ustroeny-poezda.

Какие бывают моторы у локомотива?

• Электромоторы используются только в поездах, которые ездят по одному рельсовому пути на короткие расстояния. Такие поезда получают электроэнергию от проводов, протянутых выше рельсового пути. Исключением являются электропоезда метро — они получают электроэнергию через третий рельс на пути.
• Комбинированные моторы способны обеспечить такую мощность, чтобы двигать локомотивы, тянущие за собой товарняки с тяжелым грузом. Сгорающее дизельное топливо приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество, а электричество питает моторы, приводящие в движение колеса.
• Ранее электро- и комбинированных моторов в локомотивах, в паровозах стояла паровая машина (именно поэтому тогдашние локомотивы назывались паровозами). Паровая машина приводились в действие с помощью перегретого пара, который получали, сжигая в топках уголь или дрова.

Почему у поезда стучат колеса?

Рельсовое полотно состоит из отдельных отрезков рельс в 25 метров каждый. Между ними есть небольшой зазор, он необходим потому, что в летнюю жару металл имеет свойство расширяться, а в зимние холода наоборот сужаться. И данные зазоры обеспечивают подвижность металла без ущерба его эксплуатации.

Характерный стук колес получается от того, что вагону приходится «запрыгивать» на следующий отрезок рельса, ведь край рельсы, когда на нее наезжает колесо поезда, под весом состава слегка прогибается.

Стук повторяется в определенной последовательности, которая зависит от веса состава и его скорости.

В странах, где резкие перепады температур совсем незначительны, рельсы укладываются без зазора и колеса вагона едут по ним без стука.

Почему нумерация вагонов в поезде не всегда “с головы” и какие вагоны бывают

Обычно «голова едет впереди» в тех составах, которые двигаются из начальной станции. И наоборот – при отправке из конечной. Но по дороге направление может несколько раз меняться, и локомотив оказывается то с одного, то с другого конца состава. А на станции Киев-пассажирский привычная фраза «нумерация с головы (или хвоста)» теперь заменена новыми ориентирами – восточным или западным направлениями.

Так что, для того, чтобы разобраться откуда начинается нумерация, следует внимательно слушать, что говорит “тетка, которая объявляет о прибытии поезда”.

Как расположены вагоны и можно ли садиться не в свой вагон

Плацкартные вагоны всегда находятся по краям состава, а купейные, СВ и вагон-ресторан – в центре поезда. То есть, если вы купили билет в купейный вагон, вам стоит сразу направляться в центр состава.

А на станциях, где небольшое время остановки, вы можете садиться в ближайший вагон, а затем пройти в свой уже в движущемся поезде. Немного из истории поездов здесь /sovety/poezd/kogda-poyavilis-poezda.

Как устроен и работает тепловоз (часть 1)

По железным дорогам нашей страны ведут поезда тепловозы и электровозы. Мы в повседневной жизни видим их постоянно, особенно когда путешествуем по железной дороге. Эта статья о тепловозах, для всех кому интересна эта тема. Здесь я не буду углубляться в тонкости определенных узлов, агрегатов и премудростей устройства. Кого интересует конкретное устройство тепловозов, читайте мои статьи на данном сайте.

Что такое тепловоз?

Тепловоз — это локомотив с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания (дизелем), он мобилен и не требует для работы посторонних устройств и сооружений, например контактной сети, как электровоз. Силовой установкой на всех тепловозах являются именно дизели, мощность которых зависит от назначения локомотива.

Машинное отделение тепловоза — дизель

По роду службы их подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Но для движения одного дизеля естественно мало, для передачи его мощности к колесным парам используются следующие принципиальные схемы – электрическая и гидравлическая. В электрической передаче используется генератор электрического тока, вращаемый дизелем, а вырабатываемый ток питает тяговые электродвигатели, в гидравлической передаче рабочим телом, которое передает вращение к колесным парам, является жидкость (масло). В гидромуфтах и гидротрансформаторах создаваемый насосным колесом, вращаемым дизелем, напор масла воздействует на турбинное колесо, через которое передается вращающий момент посредством карданных валов на редукторы, в которых установлены колесные пары тепловоза, но все это конечно очень упрощенно, в общих чертах. Мы немного коснемся работы гидропередачи позже, а подробное описание техническим языком можно прочитать в моей статье здесь.

Устройство тепловоза

Все тепловозы имеют раму, на которой установлен дизель, независимо от типа передачи, на раме устанавливается кузов тепловоза и все необходимые агрегаты. Кузов тепловоза опирается через шкворни на рамы тележек, которые могут совершать повороты в любую сторону, согласно профиля пути. Тележки еще имеют скользящие опоры с обоих сторон, которые также опираются на раму тепловоза.

Тележка тепловоза, буксы

В рамах тележек установлены или тяговые электродвигатели при электрической передаче или тяговые редукторы при гидравлической передаче, торцы осей колесных пар располагаются в буксовых узлах, корпуса которых в свою очередь располагаются либо в жестких направляющих, так называемых «челюстях» (тележки челюстного типа), либо специальными поводками соединяются с рамой (бесчелюстной тип).

Тележка тепловоза, буксы

Таким образом через рамы тележек тяговые усилия передаются на раму тепловоза в которой установлены автосцепные устройства, соединенные с автосцепками вагонов и все, поехали. В принципе такое-же устройство имеют и тележки электровозов.

Электрическая передача

Такой тип передачи нашел наиболее широкое распространение. Дизель тепловоза, при такой передаче, с помощью пластинчатой муфты присоединяется к валу электрогенератора — эта система называется дизель-генераторной установкой (ДГУ). Электрические передачи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, и даже на переменно-постоянном токе.

При постоянном токе как тяговый генератор, так и тяговые электродвигатели работают соответственно на постоянном токе. Такая передача наиболее проста, хорошо регулируются параметры тяговых электродвигателей, однако как двигатели, так и генератор постоянного тока в составе имеют щеточно-коллекторный аппарат, содержащий трущиеся друг об друга элементы, что значительно снижает их надежность, увеличивает трудоемкость при изготовлении и обслуживании, у таких электрический машин большие габариты и вес. Но тем не менее большинство тепловозов работают на электрической передаче.

Щёточно-коллекторный аппарат ТЭД

Передача переменно-постоянного тока

На тепловозах с данным типом передачи тяговый генератор вырабатывает переменный ток, а тяговые электродвигатели работают уже на постоянном токе. Понятное дело, что переменный ток не подойдет для питания ТЭД постоянного тока, и между двигателем и генератором должен быть некоторый преобразователь — в нашем случае это выпрямительная установка (ВУ). Габариты генератора меньше, а вес ниже, а также в нем отсутствуют трущиеся части, такие как щелочно-коллекторный аппарат. Соответственно один узел является более надежным и менее трудоемким в производстве и обслуживании. Однако ввод третьего узла — ВУ немного уменьшает положительные качества такой системы, да и КПД у тепловозов с такой передачей меньше, чем у постоянников.

Тяговый электродвигатель ТЭД от тепловоза

Передача переменного тока

В настоящее время приобретает все большее развитие. В этой передаче как тяговый генератор так и тяговые электродвигатели работают на переменном токе. Соответственно щелочно-коллекторный аппарат отсутствует вообще, такие электроустановки очень надежны. Почему же ранее не использовалась такая выгодная схема? — Все дело в том, что частота вращения и крутящий момент ТЭД переменного тока регулируются изменением частоты тока и напряжения, что является достаточно сложной задачей. Решается эта задача с помощью преобразователя частоты, который включается между двигателями и генератором. На железные дороги нашей страны уже выходят тепловозы именно с такой передачей, она особенно эффективна на локомотивах большой мощности.

Принцип работы генератора

Идем дальше. Вот наш условный дизель начинает вращать главный генератор (ГГ), пусть он будет постоянного тока, чтобы выработанный им ток пошел на питание тяговых двигателей. Прогуляемся немного в славный мир электротехники, откуда нам уже давно известно, что при перемещении какого-нибудь проводника в магнитном поле в этом проводнике возникает электрический ток. Это и есть генератор. Если по этому проводнику мы возьмем и пропустим ток, то уже получится электродвигатель. Потому-что вокруг любого проводника с током образуется магнитное поле. Здесь мы немного остановимся. Принципы понятны. Магнитное поле в генераторе создает ток протекающий в обмотке возбуждения, которая расположена по кругу корпуса генератора (статор), это понятно, ведь постоянный магнит не установишь на всех двигателях и генераторах, так и ресурсов не напасешься и постоянных магнитов такой мощности просто не существует, поэтому и подают ток на обмотки возбуждения, превращая их в мощные магниты.

Тяговый генератор тепловоза

ЭДС и противоЭДС

Теперь главное – в электродвигателях ток протекает и по обмотке в якоре, поэтому магнитные поля обмоток возбуждения и якоря друг с другом взаимодействуют, что и приводит к вращению якоря. В генераторах по якорю, который вращается от коленчатого вала дизеля, ток не пропускается, но в его обмотках под воздействием магнитных полей возбуждения возникает электрический ток, который и питает тяговые электродвигатели. И чем быстрее вращается якорь, тем большее напряжение мы получаем на выходе. Но есть одна серьезная и очень серьезная сила – электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает при подключенной нагрузке (подключение цепей ТЭД) при вращении якоря, и физически направлена она против направления вращения якоря, в электротехнике она называется «противоЭДС». То есть эта сила можно сказать всячески сопротивляется вращению, она увеличивается с увеличением электрической нагрузки. Вот это и есть главное, что преодолевает всей своей мощью дизель, поэтому тепловозные дизели все не слабые, иначе не провернешь вал генератора под нагрузкой. Именно противоЭДС используется в тяговых электродвигателях тепловозов и электровозов, когда они переводятся в генераторный режим (по обмоткам якорей не протекает ток), это называется — реостатное (рекуперативное) торможение, когда скорость поезда снижается благодаря только электродвигателям, без применения автоматических тормозов и надо сказать, здорово тормозит и держит необходимую скорость, особенно на затяжных спусках, я всегда использовал этот вид торможения, когда можно было выбирать.

Колесная пара с тяговым электродвигателем от тепловоза

Управление дизелем

Все управление дизелем, аппаратами, машинами и агрегатами происходит с пульта управления из кабины машинистом. Управление осуществляется электрическим путем, с помощью применения электромагнитных контакторов и электрических реле в цепях управления, а в силовых цепях работают электропневматические контакторы. Контроллер машиниста имеет 15 (на некоторых тепловозах 8) позиций и представляет из себя электрический аппарат с контактами, замыкание и размыкание которых приводит к различным действиям в цепях управления, благодаря чему происходит коммутация (сборка-разборка) различных комбинаций электрических цепей, каждая из которых отвечает за определенный режим работы силовых агрегатов локомотива. Контроллер может поворачиваться рукояткой или штурвалом, в современных тепловозах небольшой рукояткой или джойстиком, все зависит от конструкции, все позиции контроллеры фиксированные. На тепловозах не существует педали газа, как на автомобилях, а обороты дизеля регулируются специальным устройством – регулятором числа оборотов (РЧО), также регулятор частоты вращения (РЧВ), но смысл один и тот же. Это устройство закрепляется на корпусе дизеля и соединяется с коленчатым валом дизеля. Управляется РЧО контроллером машиниста посредством специальных электромагнитов (МР), их всего пять, через металлическую пластину.

Машинное отделение тепловоза — дизель

Регулятор частоты вращения коленчатого вала

В данном регуляторе с помощью специальных гидравлических устройств (золотника, гидравлического сервомотора, специальной буксы) происходит перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД ) к плунжерным парам, само перемещение осуществляет сервомотор, в результате чего подача топлива либо увеличивается, либо уменьшается.

Постоянство оборотов поддерживается системой, использующей принцип центробежной силы – парой грузиков и пружиной, перемещающих золотник. Все современные тепловозы оборудованы регуляторами совмещающими несколько устройств, и автоматического регулирования нагрузки дизеля, и автоматической корректировки подачи топлива по давлению наддувочного воздуха и устройств по ограничению мощности дизель-генератора.

А зачем мощность дизель-генератора ограничивать?

Выше я писал про зловредную противоЭДС, возникающую в главном генераторе, которую силовая установка мужественно преодолевает, вот и главное: мощность дизеля всегда должна соответствовать нагрузке, создаваемой потребителем энергии, и в нашем случае нагрузкой для является главный генератор, а для него уже электродвигатели колесных пар (вот собственно и схема электрической передачи). Как раз регулировка мощности осуществляется уменьшением или увеличением подачи топлива в цилиндры в соответствии с изменением нагрузки генератора.

Тепловоз в разрезе

Почему бы не оставить подачу топлива постоянной?

Если это произойдет, то при изменении нагрузки на ТЭД (например поезд едет в гору или с горы) частота вращения вала дизеля тоже изменится, что может привести к неприятным последствиям. Когда в дизель стабильно подается один объем топлива, то и энергия его сгорания остается постоянной, а вместе с ней и производимая мощность, однако если нагрузка на генератор вдруг уменьшится (поезд поехал с горы), то есть уменьшится противоЭДС, но топливо-то все еще поступает в прежнем объеме.. И вот мы получаем «излишнюю» мощность, которая направляется в раскрутку коленчатого вала, который теперь не отягощен противоЭДС, и в конце концов дизель может «пойти вразнос» — крайне неприятная вещь (разбегайся кто куда). При увеличении нагрузки и постоянной подаче топлива мощности дизеля просто станет не достаточно, для продолжения стабильной работы, частота вращения вала будет уменьшаться, в конечном счете дизель будет не в силах преодолевать нагрузку главного генератора и заглохнет, на профессиональном языке – генератор «задавит» дизель. Чтобы не произошло всех этих неприятностей, необходимо изменять подачу топлива и устанавливать ее каждый раз в соответствии с изменившейся нагрузкой, и все это без изменения позиций контроллера.

Машинное отделение тепловоза

Вот эту непростую задачу в пути следования и решают наши автоматические регуляторы частоты вращения вала дизеля, совместно с очень непростой системой автоматического управления электрической передачей тепловоза. Она регулирует посредством многих систем, аппаратов, агрегатов нагрузку главного генератора и в конце концов подачу топлива. Эту систему я описал отдельно, но в нее входят: магнитный усилитель с самовозбуждением – амплистат, имеющий кучу обмоток, синхронный подвозбудитель, трансформаторы постоянного тока (ТПТ) и постоянного напряжения (ТПН), тахогенератор, регулятор напряжения, селективный узел и т.д. В общем всего навалом, но не так страшно, если разобраться, вся работа системы основана на принципах электромагнитной индукции. В итоге на регуляторе размещен эектромагнитный датчик – индуктивный датчик (ИД), шток которого также соединен с рейками топливного насоса и он также изменяет подачу топлива в зависимости от сложившихся условий.

На каком топливе работают поезда дальнего следования

Пассажиры чаще не задумываются о том, какое тяговое оборудование присутствует в поезде, и способах его приведения в движение. Однако современный железнодорожный транспорт достаточно разнообразен и может использовать разные виды двигателей. Именно от последних зависит, на чем ездят поезда любых существующих типов.

Что приводит поезд в движение

Пассажирские и грузовые поезда формируются из разных вагонов, где обычно большая часть относится к несамоходным. Поэтому особое значение имеют головные, оборудованные тяговым оборудованием, или локомотивы. Такие вагоны называют самоходными, так как им не требуется сторонняя помощь, чтобы начать движение по рельсам. Именно они обеспечивают тягу всего состава.

Поезд приводится в движение двигателем, который работает за счет переработки топлива либо получения энергии извне. Именно он заставляет состав начать движение и помогает набирать нужную скорость. При этом вырабатываемая энергия передается на колеса, заставляя их вращаться. Принцип работы двигателя зависит от его типа.

Важно учитывать то, как устроены поезда более современных вариаций. Например, с линейными двигателями прямой передачи энергии к колесам или рельсам может и не быть. Транспорт просто движется за счет взаимодействия других элементов.

Примером может послужить поезд с магнитной подушкой, где перемещение обеспечивают магниты на путях и вагонах.

Хотя такие технологии не позволяют полностью избавиться от двигателей, все равно требуя энергии, в том числе для функционирования бортовых систем.

Виды двигателей и используемое в них топливо

Вид используемого топлива ограничивается по установленному двигателю. Если поезд ездит с одним ДВС, то его не получится привести в движение электричеством или паром. При этом каждый вид двигателя отличается устройством, чем может создавать трудности для малоопытных механиков.

Паровые двигатели

Паровозы стали первыми поездами в мире, но иногда ездят даже на современных ЖД, несмотря на устаревание. Тягу им обеспечивают паровые двигатели, состоящие из котла и парообразующей машины. Все модели паровозов ездят по идентичному принципу.

Как работают поезда такого типа: внутри топки сжигается топливо, высокотемпературные скопления газа прогревают воду, начинает образовываться и выделяться пар, оказывая давление на поршень и заставляя вращаться ведущую колесную ось. Именно поэтому паровозы стали называться таким простым наименованием.

Паровые двигатели ограничены в выборе топлива, используемого для нагрева с дальнейшим образованием пара. Чаще применялись твердые его варианты в виде угля, который подавался специальным углеподатчиком, или древесины.

Иногда паровозы ездят на жидком топливе, заливающемся через форсунки. При этом выбор ограничивается нефтью и мазутом.

Главные преимущества такого двигателя и доступных для него видов топлива заключаются в простоте конструкции и эксплуатации.

Более современные виды топлива применяют на поездах, которые ездят с использованием двигателей внутреннего сгорания. Принцип работы таких составов основан на превращении химической энергии в тепловую. Основные процессы при этом происходят внутри специального цилиндра.

Как едет поезд с ДВС: поступивший внутрь емкости воздух прогревается, к нему через форсунку вливается горючее, далее начинается процесс его сгорания, выделяется газ с повышенным давлением, что приводит к движению поршня и вызывает вращение колес. В результате процессов внутри двигателя с топливом локомотив начинает двигаться и тянуть присоединенные к нему вагоны.

Основные виды горючего для железнодорожных ДВС:

• дизель – самый распространенный вариант топлива, на котором ездят тепловозы, включая современные;
• газ – экологичный вариант для газотурбинных моторов, он отличается сниженным объемом выбросов вредных веществ в атмосферу;

• растительные смеси – некоторые компании пытаются использовать более экологичные виды топлива, одним из таких вариантов стало гидрированное растительное масло.

Электродвигатели

Электропоезда скоростного типа, электрички и другие составы, работающие на электродвигателях, не требуют использования специального топлива. Однако это вызывает вопросы у многих пассажиров. Становится не совсем понятно, на чем едут поезда, если в них нет топлива, и почему в них вырабатывается энергия.

Тягу таких составов обеспечивают электродвигатели, получающие электричество от контактной сети. Поэтому локомотивы ездят только по электрифицированным участкам железных дорог, если на борту нет автономного источника электроэнергии. Исключением будут случаи, когда присутствует мобильная электростанция поезда, что делает его независимым.

Принцип работы составов с электродвигателями почти не отличается от других моделей.

Сначала поезд получает электроэнергию от контактной сети, как топливо в прочих случаях, затем она передается к мотору и заставляет его оси вращаться, результатом же становится передача энергии на колеса.

Аналогичным образом работают рельсовые виды городского транспорта, включая метро и трамваи.

Особенностью электропоездов стала важность вида используемого тока. Всего выделяют два его варианта: постоянный и переменный. Ранее поезда чаще ездили с первым видом электричества. Позднее же чаще стал задействоваться переменный.

Линейные

Технологичные модели с линейным моторным оборудованием тоже ездят без использования специальных видов топлива, хотя на борту и задействуется электроэнергия, обеспечивающая работу многих систем, включая сам двигатель поезда. При этом важными составляющими системы движения становятся ротор и статор. Именно они отвечают за перемещение вагонов по линии.

Принцип работы поездов с линейными двигателями основан на использовании магнитной подушки. Размещенные на дне вагонов и рельсах магниты взаимодействуют между собой, заставляя поезд ездить. Поэтому никакого иного топлива для их перемещения не требуется.

Главным же минусом технологии считается недостаточная стабильность. Однако в устройстве поездов такого типа могут применяться разные виды магнитов, что влияет на положительные качества системы. Всего выделяют три варианта: сверхпроводящие, электрические и постоянные.

Водородные

Одним из новейших видов топлива для поездов стал водород. Составы ездят на нем с помощью специальных электрических двигателей. Поэтому они также могут относиться к электропоездам, хотя и не требуют наличия контактной сети, чем отличаются от аналогов, становясь автономным транспортом.

Главное преимущество водородного топлива заключается в экологичности. Когда такие локомотивы ездят, они не выделяют вредных веществ, чем превосходят дизельные составы.

Баки для топлива располагаются чаще на крыше вагонов. После старта двигателя водород начинает проходить до специальных камер, вступает в реакцию с кислородом, поступающим с улицы, и вырабатывает ток.

Последний снабжает двигатели необходимой энергией, предварительно проходя через преобразователи, чем заставляет локомотив начать движение.

Поезда на водородном топливе ездят с использованием систем рекуперации, оптимизирующих расход электричества. Все излишки выработанной ранее и образованной при торможении энергии скапливаются внутри аккумуляторов.

Особенности поездов дальнего следования

Пассажирские поезда дальнего следования имеют важную особенность, позволяющую им передвигаться на любых участках ЖД, в том числе сквозь зоны без электрификации. Она выражается в используемом на борту тяговом оборудовании, которое объединяет электрические моторы и ДВС. Именно поэтому иногда возникают недопонимания, касающиеся того, чем поезда заправляются.

На чем ездят скорые:

• электричество – на борту присутствуют электродвигатели, выполняющие все тяговые функции, но питающиеся только от контактной сети либо мобильной электростанции;

• дизель – состав дальнего следования может ездить на дизеле, если участок ЖД не имеет электрификации, а также в ряде иных случаев, когда утвержден соответствующий приказ.

На чем ездит большинство поездов

В России большая часть современных поездов работает на электродвигателях. Поэтому ездят они не на обычном топливе, а с использованием электроэнергии. Наиболее широко применяются улучшенные виды составов для популярных направлений, включая рейсы с большим пассажиропотоком из Москвы и других городов. Проблемы с таким транспортом могут возникать в северных регионах, где слишком низкие температуры и много снега.

Исключением стали скорые составы, объединившие два вида железнодорожных двигателей. Хотя иногда стоит учитывать, на каком топливе ездит поезд конкретного направления на карте, так как они могут ограничиваться только одним видом. Например, на маршрутах до Калининграда, Симферополя или Сочи, где везде есть электрификация, вагоны могут двигаться за счет электродвигателей.

В странах Европы, США, Канаде, Китае, Японии и ряде других государств, уделяющих внимание экологии, большинство железнодорожных составов ездят от электричества.

Однако представители перевозчиков и производителей вагонов активно разрабатывают проекты, направленные на сокращение вредных выбросов.

Поэтому постепенно начинается переход на альтернативные виды топлива, в том числе на водород, которому уделяют повышенное внимание.

Развитие ЖД позволило значительно расширить список того, на чем ездит современный поезд. Поэтому у производителей и перевозчиков есть разные виды топлива и способы получения энергии для составов. А возможность выбора упрощает подбор поездов на конкретные линии и позволяет добиться большей экологичности.

Похожие публикации:

1. Что хорошо притягивается к постоянному магниту
2. Тензорные кольца что это такое
3. Вббшв и вбшв в чем разница
4. За счет чего заряжается аккумулятор автомобиля

Как устроен и работает тепловоз (часть 1)

По железным дорогам нашей страны ведут поезда тепловозы и электровозы. Мы в повседневной жизни видим их постоянно, особенно когда путешествуем по железной дороге. Эта статья о тепловозах, для всех кому интересна эта тема. Здесь я не буду углубляться в тонкости определенных узлов, агрегатов и премудростей устройства. Кого интересует конкретное устройство тепловозов, читайте мои статьи на данном сайте.

Что такое тепловоз?

Тепловоз — это локомотив с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания (дизелем), он мобилен и не требует для работы посторонних устройств и сооружений, например контактной сети, как электровоз. Силовой установкой на всех тепловозах являются именно дизели, мощность которых зависит от назначения локомотива.

По роду службы их подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Но для движения одного дизеля естественно мало, для передачи его мощности к колесным парам используются следующие принципиальные схемы – электрическая и гидравлическая. В электрической передаче используется генератор электрического тока, вращаемый дизелем, а вырабатываемый ток питает тяговые электродвигатели, в гидравлической передаче рабочим телом, которое передает вращение к колесным парам, является жидкость (масло). В гидромуфтах и гидротрансформаторах создаваемый насосным колесом, вращаемым дизелем, напор масла воздействует на турбинное колесо, через которое передается вращающий момент посредством карданных валов на редукторы, в которых установлены колесные пары тепловоза, но все это конечно очень упрощенно, в общих чертах. Мы немного коснемся работы гидропередачи позже, а подробное описание техническим языком можно прочитать в моей статье здесь.

Устройство тепловоза

Все тепловозы имеют раму, на которой установлен дизель, независимо от типа передачи, на раме устанавливается кузов тепловоза и все необходимые агрегаты. Кузов тепловоза опирается через шкворни на рамы тележек, которые могут совершать повороты в любую сторону, согласно профиля пути. Тележки еще имеют скользящие опоры с обоих сторон, которые также опираются на раму тепловоза.

В рамах тележек установлены или тяговые электродвигатели при электрической передаче или тяговые редукторы при гидравлической передаче, торцы осей колесных пар располагаются в буксовых узлах, корпуса которых в свою очередь располагаются либо в жестких направляющих, так называемых «челюстях» (тележки челюстного типа), либо специальными поводками соединяются с рамой (бесчелюстной тип).

Таким образом через рамы тележек тяговые усилия передаются на раму тепловоза в которой установлены автосцепные устройства, соединенные с автосцепками вагонов и все, поехали. В принципе такое-же устройство имеют и тележки электровозов.

Электрическая передача

Такой тип передачи нашел наиболее широкое распространение. Дизель тепловоза, при такой передаче, с помощью пластинчатой муфты присоединяется к валу электрогенератора — эта система называется дизель-генераторной установкой (ДГУ). Электрические передачи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, и даже на переменно-постоянном токе.

При постоянном токе как тяговый генератор, так и тяговые электродвигатели работают соответственно на постоянном токе. Такая передача наиболее проста, хорошо регулируются параметры тяговых электродвигателей, однако как двигатели, так и генератор постоянного тока в составе имеют щеточно-коллекторный аппарат, содержащий трущиеся друг об друга элементы, что значительно снижает их надежность, увеличивает трудоемкость при изготовлении и обслуживании, у таких электрический машин большие габариты и вес. Но тем не менее большинство тепловозов работают на электрической передаче.

Передача переменно-постоянного тока

На тепловозах с данным типом передачи тяговый генератор вырабатывает переменный ток, а тяговые электродвигатели работают уже на постоянном токе. Понятное дело, что переменный ток не подойдет для питания ТЭД постоянного тока, и между двигателем и генератором должен быть некоторый преобразователь — в нашем случае это выпрямительная установка (ВУ). Габариты генератора меньше, а вес ниже, а также в нем отсутствуют трущиеся части, такие как щелочно-коллекторный аппарат. Соответственно один узел является более надежным и менее трудоемким в производстве и обслуживании. Однако ввод третьего узла — ВУ немного уменьшает положительные качества такой системы, да и КПД у тепловозов с такой передачей меньше, чем у постоянников.

Передача переменного тока

В настоящее время приобретает все большее развитие. В этой передаче как тяговый генератор так и тяговые электродвигатели работают на переменном токе. Соответственно щелочно-коллекторный аппарат отсутствует вообще, такие электроустановки очень надежны. Почему же ранее не использовалась такая выгодная схема? — Все дело в том, что частота вращения и крутящий момент ТЭД переменного тока регулируются изменением частоты тока и напряжения, что является достаточно сложной задачей. Решается эта задача с помощью преобразователя частоты, который включается между двигателями и генератором. На железные дороги нашей страны уже выходят тепловозы именно с такой передачей, она особенно эффективна на локомотивах большой мощности.

Принцип работы генератора

Идем дальше. Вот наш условный дизель начинает вращать главный генератор (ГГ), пусть он будет постоянного тока, чтобы выработанный им ток пошел на питание тяговых двигателей. Прогуляемся немного в славный мир электротехники, откуда нам уже давно известно, что при перемещении какого-нибудь проводника в магнитном поле в этом проводнике возникает электрический ток. Это и есть генератор. Если по этому проводнику мы возьмем и пропустим ток, то уже получится электродвигатель. Потому-что вокруг любого проводника с током образуется магнитное поле. Здесь мы немного остановимся. Принципы понятны. Магнитное поле в генераторе создает ток протекающий в обмотке возбуждения, которая расположена по кругу корпуса генератора (статор), это понятно, ведь постоянный магнит не установишь на всех двигателях и генераторах, так и ресурсов не напасешься и постоянных магнитов такой мощности просто не существует, поэтому и подают ток на обмотки возбуждения, превращая их в мощные магниты.

ЭДС и противоЭДС

Теперь главное – в электродвигателях ток протекает и по обмотке в якоре, поэтому магнитные поля обмоток возбуждения и якоря друг с другом взаимодействуют, что и приводит к вращению якоря. В генераторах по якорю, который вращается от коленчатого вала дизеля, ток не пропускается, но в его обмотках под воздействием магнитных полей возбуждения возникает электрический ток, который и питает тяговые электродвигатели. И чем быстрее вращается якорь, тем большее напряжение мы получаем на выходе. Но есть одна серьезная и очень серьезная сила – электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает при подключенной нагрузке (подключение цепей ТЭД) при вращении якоря, и физически направлена она против направления вращения якоря, в электротехнике она называется «противоЭДС». То есть эта сила можно сказать всячески сопротивляется вращению, она увеличивается с увеличением электрической нагрузки. Вот это и есть главное, что преодолевает всей своей мощью дизель, поэтому тепловозные дизели все не слабые, иначе не провернешь вал генератора под нагрузкой. Именно противоЭДС используется в тяговых электродвигателях тепловозов и электровозов, когда они переводятся в генераторный режим (по обмоткам якорей не протекает ток), это называется — реостатное (рекуперативное) торможение, когда скорость поезда снижается благодаря только электродвигателям, без применения автоматических тормозов и надо сказать, здорово тормозит и держит необходимую скорость, особенно на затяжных спусках, я всегда использовал этот вид торможения, когда можно было выбирать.

Управление дизелем

Все управление дизелем, аппаратами, машинами и агрегатами происходит с пульта управления из кабины машинистом. Управление осуществляется электрическим путем, с помощью применения электромагнитных контакторов и электрических реле в цепях управления, а в силовых цепях работают электропневматические контакторы. Контроллер машиниста имеет 15 (на некоторых тепловозах 8) позиций и представляет из себя электрический аппарат с контактами, замыкание и размыкание которых приводит к различным действиям в цепях управления, благодаря чему происходит коммутация (сборка-разборка) различных комбинаций электрических цепей, каждая из которых отвечает за определенный режим работы силовых агрегатов локомотива. Контроллер может поворачиваться рукояткой или штурвалом, в современных тепловозах небольшой рукояткой или джойстиком, все зависит от конструкции, все позиции контроллеры фиксированные. На тепловозах не существует педали газа, как на автомобилях, а обороты дизеля регулируются специальным устройством – регулятором числа оборотов (РЧО), также регулятор частоты вращения (РЧВ), но смысл один и тот же. Это устройство закрепляется на корпусе дизеля и соединяется с коленчатым валом дизеля. Управляется РЧО контроллером машиниста посредством специальных электромагнитов (МР), их всего пять, через металлическую пластину.

Регулятор частоты вращения коленчатого вала

В данном регуляторе с помощью специальных гидравлических устройств (золотника, гидравлического сервомотора, специальной буксы) происходит перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД ) к плунжерным парам, само перемещение осуществляет сервомотор, в результате чего подача топлива либо увеличивается, либо уменьшается.

Постоянство оборотов поддерживается системой, использующей принцип центробежной силы – парой грузиков и пружиной, перемещающих золотник. Все современные тепловозы оборудованы регуляторами совмещающими несколько устройств, и автоматического регулирования нагрузки дизеля, и автоматической корректировки подачи топлива по давлению наддувочного воздуха и устройств по ограничению мощности дизель-генератора.

А зачем мощность дизель-генератора ограничивать?

Выше я писал про зловредную противоЭДС, возникающую в главном генераторе, которую силовая установка мужественно преодолевает, вот и главное: мощность дизеля всегда должна соответствовать нагрузке, создаваемой потребителем энергии, и в нашем случае нагрузкой для является главный генератор, а для него уже электродвигатели колесных пар (вот собственно и схема электрической передачи). Как раз регулировка мощности осуществляется уменьшением или увеличением подачи топлива в цилиндры в соответствии с изменением нагрузки генератора.

Почему бы не оставить подачу топлива постоянной?

Если это произойдет, то при изменении нагрузки на ТЭД (например поезд едет в гору или с горы) частота вращения вала дизеля тоже изменится, что может привести к неприятным последствиям. Когда в дизель стабильно подается один объем топлива, то и энергия его сгорания остается постоянной, а вместе с ней и производимая мощность, однако если нагрузка на генератор вдруг уменьшится (поезд поехал с горы), то есть уменьшится противоЭДС, но топливо-то все еще поступает в прежнем объеме.. И вот мы получаем «излишнюю» мощность, которая направляется в раскрутку коленчатого вала, который теперь не отягощен противоЭДС, и в конце концов дизель может «пойти вразнос» — крайне неприятная вещь (разбегайся кто куда). При увеличении нагрузки и постоянной подаче топлива мощности дизеля просто станет не достаточно, для продолжения стабильной работы, частота вращения вала будет уменьшаться, в конечном счете дизель будет не в силах преодолевать нагрузку главного генератора и заглохнет, на профессиональном языке – генератор «задавит» дизель. Чтобы не произошло всех этих неприятностей, необходимо изменять подачу топлива и устанавливать ее каждый раз в соответствии с изменившейся нагрузкой, и все это без изменения позиций контроллера.

Вот эту непростую задачу в пути следования и решают наши автоматические регуляторы частоты вращения вала дизеля, совместно с очень непростой системой автоматического управления электрической передачей тепловоза. Она регулирует посредством многих систем, аппаратов, агрегатов нагрузку главного генератора и в конце концов подачу топлива. Эту систему я описал отдельно, но в нее входят: магнитный усилитель с самовозбуждением – амплистат, имеющий кучу обмоток, синхронный подвозбудитель, трансформаторы постоянного тока (ТПТ) и постоянного напряжения (ТПН), тахогенератор, регулятор напряжения, селективный узел и т.д. В общем всего навалом, но не так страшно, если разобраться, вся работа системы основана на принципах электромагнитной индукции. В итоге на регуляторе размещен эектромагнитный датчик – индуктивный датчик (ИД), шток которого также соединен с рейками топливного насоса и он также изменяет подачу топлива в зависимости от сложившихся условий.

На чем работают современные поезда

В дальних поездках по железной дороге используются в основном дизель-электрические тепловозы которые используют как дизельное топливо так и электрическую энергию.Когда есть электрическое питания они едут за счет электричества ,в противном случае переходят на дизель.

Ну вопрос не очень корректный. Как я понял автор хотел узнать какой тип топлива используется в поездах дальнего следования. Ну в России поезда дальнего следования ездят на электричестве, по крайней мере по моему опыту. Поездоав на угля я лично не видел.

По этому вопросу очень сатирично выступал Анатолий Гришковец. У него, как и у меня когда-то рухнула мечта о работе машинистом поезда дальнего следования. Потому что состав передается по участкам на которых есть свои электровозы и тепловозы.

У нас в пермском крае поезда дальнего следования ездят на угле. Может где то есть и современные поезда которые ездят на электричестве, у нас пока так)))

Поезда водят машинисты, обслуживающие строго определенные участки дороги. Они не могут водить на незнакомых участках — нет права управления. Участки бывают электрифицированные и не электрифицированные. На первых поезда водят электровозы на электричестве, на вторых — тепловозы на дизельном топливе. Электрифицированные участки еще бывают постоянного тока и переменного тока — каждому свои электровозы, универсальных очень мало.

Для дальнего следования используются так называемые электропоезда, которые ездят на электроэнергии.

«Электропоезда» — это то, что в обиходе называют «электричка». Они не бывают дальнего следования, максимум, что я видел — состав утром уходит, вечером возвращается (Львов-Ужгород через Мукачево, и то там было два состава, ходили через день, для обслуживания).
Вообще видов поездов наберётся, наверно, более десятка. Только по назначению, как пассажирские, грузовые, восстановительные, пожарные, воинские, агитационные и пр… Большая часть из них дальнего следования. И все ездят на рельсах!

Как работает поезд

Поезда стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы уже не задумываемся о том, как они работают. Ушли в прошлое паровозы. Сейчас увидеть, как кочегар кидает в паровозную топку уголь, можно только в старых фильмах. На смену энергии парового котла пришла энергия дизельных и электродвигателей. Количество вагонов в составе стало намного больше. Длина грузовых поездов достигает полутора километров. Поезда могут перевозить грузы на огромные расстояния. почему поезд не сходит с рельсов, читайте здесь https://rasp.msk.ru/sovety/poezd/pochemu-poezd-ne-skhodit-s-relsov.

Как устроены современные локомотивы

Чтобы привести вагоны в движение нужен локомотив. Локомотив работает, используя электроэнергию, которую получает через токоприёмники от протянутых сверху проводов, или от мотора на дизельном топливе. Эта энергия вращает колёса локомотива, приводя его в движение. Он едет сам и тянет за собой десятки вагонов.

Дизельное топливо используется для вырабатывания электроэнергии генератором. Эта электроэнергия приводит в движение мотор, вращающий колёса. По способу получения энергии они называются:

• электровозами;
• тепловозами.

Электровоз отличается большой мощностью. Может работать в любых климатических зонах, особенно это важно для регионов с холодным климатом.

Тепловоз полностью автономный. Даже в случае поломки, он может переключиться на запасную секцию и доехать до станции. В подобной ситуации на помощь электровозу вызывают тепловоз.

Электропоезда, дизель-поезда и автомотрисы — трудяги пригородного сообщения

Все, когда-нибудь, особенно в больших городах, ездили и поныне ежедневно ездят на электропоездах, по народному названию – электричках. Эти электрички, вывозят огромные массы людей на работу и с работы, на дачи и по многим другим делам, всего и не перечислишь! Просто гигантская работа! На не электрифицированных дорогах эту очень нужную работу выполняют дизельные поезда, попроще – дизель-поезда.

Немного истории

С ранних времен существования железных дорог пассажирские перевозки разделялись на два вида – это перевозки дальнего следования и пригородные перевозки. Перевозки на дальнее расстояние, понятно, осуществляются поездами с локомотивной тягой, в состав поездов входят комфортабельные вагоны – СВ, купейные, плацкартные и межобластные, так называемые – общие, на небольшое расстояние. В вагонах разных категорий созданы хорошие условия для длительного путешествия, в одних получше, в других похуже, все зависит от кошелька. А вот пригородные поезда курсируют на небольшие расстояния, порядка 150 – 200 км, поэтому и называются – пригородные.

Вагоны в пригородных поездах не требуют условий для длительного путешествия, поэтому, как, правило, сидячие места и все, ехать – то недалеко. Раньше, да и сейчас на многих дорогах, пригородные перевозки выполнялись и выполняются локомотивной тягой. Это локомотив, электровоз или тепловоз и немного, как правило, межобластных вагонов с проводниками.

И если коснуться вопросов эффективности тяги, экономики и рентабельности, то картина с пригородными поездами на локомотивной тяге весьма удручающая. Ну не выгодно, по всем параметрам! Хотя очень и очень нужно, для всех людей, проживающих в отдаленных уголках нашей России! Режим ведения пригородного поезда тяжел, это бесконечные разгоны и торможения на площадках, для посадки – высадки пассажиров, для локомотива, скажу прямо, этот режим очень нелегкий, ну а об экономии дизельного топлива или электроэнергии можно слегка позабыть. Знаю об этом не понаслышке, сам водил пригородные поезда на электровозах и тепловозах. И в вагонах приходится держать штат проводников, а все это, большие расходы и конечно огромные убытки, поэтому пригородные перевозки всегда субсидировались областными и федеральным бюджетами, но это необходимо.

Вот в послевоенные годы, умные экономические и инженерные головы, предвидев быстрое развитие инфраструктуры городов и регионов, большой приток населения в города, призадумались, нет пора-ли, сменить наши трудяги локомотивы на пригородной поездной работе и вместо них выполнять эти перевозки на быстрых на разгон и торможение, экономных и с большой пассажировместимостью, электропоездах и дизель-поездах?

Советский электропоезд раннего периода

А идея и впрямь, блестящая! Сказано – сделано! В 1953 году из ворот Рижского вагоностроительного завода (РВР) вышел первый трехвагонный, именуемый, секциями, электропоезд СР3. И началась эра электропоездов! Электропоезда совершенствовались, шли в ногу с научно-техническим прогрессом. Увеличивалась скорость движения, пассажировместимость, комфортабельность, вот результаты всех этих эволюций мы и видим сейчас на всех вокзалах страны.

Тоже происходило и с дизель-поездами. Практически, выпуск всех электропоездов и дизель поездов в СССР лег на плечи вышеуказанного Рижского вагоностроительного завода.

Теперь рассмотрим , что-же из себя представляют эти электро- и дизель- поезда?

С локомотивами понятно, ну а электричка — это практически тоже самое, только едет посредством моторных вагонов, под полами и на крышах которых и расположено все необходимое тяговое оборудование: тележки с колесно-моторными блоками (КМБ-тяговые электродвигатели, соединенные редукторами с ведущими колесными парами), мотор-компрессоры, аппараты управления, аппараты регулирования напряжения (скорость, сила тяги) а на электропоездах, работающих на переменном токе, вдобавок, тяговые трансформаторы, выпрямительные установки, сглаживающие реакторы, фазорасщепители, некоторые помещены на крышу. На крыше установлены токоприемники и часть аппаратов, необходимых для работы электропоезда. Все как на электровозе, только разбросано по составу.

Тоже самое и на дизель-поезде, под полами моторвагонного установлены дизели с механической или гидравлической передачей на тяговые редукторы ведущих колесных пар, как тепловоз, только не пробовали, да и не нужно, устанавливать на них электрическую передачу.

Моторные вагоны располагаются, как правило, через один по схеме: прицепной – моторный – прицепной – моторный и так далее, в зависимости от длинны поезда, а длинна может быть разной, от двух, четырех, восьми, десяти и даже большее число вагонов. Все зависит от величины пассажиропотока на данном направлении.

Управляются электропоезда и дизель-поезда практически также, как электровозы и тепловозы, тормозная система такая же, с некоторыми конструктивными изменениями, необходимыми для пригородной работы, вот и все. Управляет этими поездами, также, локомотивная бригада, машинист и помощник машиниста. Управление осуществляется из одной из кабин, расположенных в концевых вагонах поезда. Никаких проводников не требуется. Двери всех вагонов автоматические, работают от пневмоприводов, широкие в обоих тамбурах, управляются и контролируются с пульта машиниста. Вагоны практически не отличаются от обычных, только пассажировместимость у них огромная, что говорить, все знают… можно влезть и в тамбур, там и ехать на одной ноге до дома, но все-таки ехать, да еще и с приличной скоростью!

Вагоны электро-и-дизель-поездов оборудованы отоплением и системами кондиционирования воздуха. Сделано все, чтобы пассажиры чувствовали себя более-менее комфортно, установлен там и знаменитый наш стоп-кран, для сознательных граждан, мало-ли что. Вагоны оборудованы прямой связью с машинистом поезда, тоже, мало-ли что, например, для вызова наряда полиции, уже для несознательных граждан.

Скоростной электропоезд ЭР200

Ну и существует у нас особый класс электропоездов – скоростные экспрессы! Это наша гордость! Эксплуатируются они в основном на направлении Москва – Санкт-Петербург, но также задействованы и на других направлениях, Москва – Нижний Новгород, например. К слову сказать, еще во времена Советского Союза на Рижском вагоностроительном заводе был спроектирован и впоследствии выпущенный там-же, небольшой партией знаменитый скоростной ЭР-200. Он достигал скорости 200 км/час, с которой и вез счастливых пассажиров из Москвы в Ленинград и обратно.

Скоростной электропоезд Сапсан

Сейчас это почетное место занял электропоезд «Сапсан», он на отдельных участках этого знаменитого направления развивает скорость 250 км/час! Данный электропоезд – совместная разработка отечественных конструкторов и конструкторов немецкой формы «Сименс». Выпускается он на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ).

Есть еще один представитель этой славной команды, всем известный комфортабельный электропоезд, отечественной разработки и постройки – конечно, «Ласточка»! Он курсирует между большими городами, ну а в нашей столице «Ласточка» работает на Московском центральном кольце.

Если все электропоезда строились практически на одном заводе – Рижском вагоностроительном, то с дизель-поездами, был у нас еще один, очень серьезный помощник – завод «Ганц-Моваг» в Венгерской народной республике.

Также часть дизель-поездов выпускал и Калининский ( ныне Тверской) вагоностроительный завод. Существовали и до сих пор эксплуатируются, так называемые, контактно-аккумуляторные электропоезда. Пока следуем по электрифицируемому участку на токоприемниках в обычном режиме, аккумуляторы заряжаются в полной мере. Ну а дальше нужно продолжить движение на небольшом участке без электрификации. Чтобы не держать там дизель-поезда, вот мы опускаем токоприемники и следуем дальше на аккумуляторах, только, недалеко и сразу назад, аккумуляторы есть аккумуляторы.

В последние годы на всей сети железных дорог работают электропоезда и дизель-поезда такой конструкции — расцепляется двухсекционный электровоз или тепловоз и обе секции ставятся с концов обычных прицепных вагонов электро-или-дизель-поезда. Все, тяга есть – секции обычного локомотива, моторных вагонов не требуется, управление дверями точно такое-же, с пульта управления, все системы микроклимата и отопления вагонов штатные. Едем вперед, секция электровоза или тепловоза в голове поезда тянет вперед, задняя, естественно отреверсирована назад, вот и тяга приличная. Эти поезда создавались еще и с целью экономии, времена были нелегкие, они эксплуатируются и сейчас, но таких блестящих тягово-экономических показателей, увы, не развивают.

Как я уже писал, во времена СССР основным разработчиком и производителем электропоездов и дизель-поездов являлся Рижский вагоностроительный завод, все электропоезда имели обозначение – ЭР – электропоезд, Рига, дизель-поезда имели обозначение – Д, то в нынешнее время, все понятно, мы этот завод по известным причинам потеряли. Сейчас разработка и производство электропоездов организовано на Демиховском машиностроительном заводе, с дизель-поездами посложнее. На метрополитене устройство и управление электропоездов практически такое-же, немного со своими премудростями, необходимыми для подземных магистралей. Выпускал, выпускает и конструирует электропоезда для метрополитенов Мытищинский машиностроительный завод «Метровагонмаш».

Дизель-поезда, марки D, для железной дороги Сахалина с шириной колеи 1067 мм, выпускает Япония. Ну и еще немного, это автомотрисы.

Автомотриса – это также небольшой пригородный поезд, состоящий из одного или двух вагонов.

В основном автомотрисы оборудованы дизельными силовыми установками, расположенными под полом вагона, с таким же типом и устройством передачи, как и на дизель-поездах. Существуют и так называемые, электромотрисы, тоже самое , что и электропоезд, только состоящие из одного или двух вагонов. Вот и все конструктивное различие. Автомотрисы широко используются для перевозки пассажиров на очень малодеятельных участках, также это незаменимое средство передвижения для самих железнодорожников, очень много они решают внутрипроизводственных задач, а еще с комфортом возят высшее руководство, при проверке работы участков железных дорог.

Рельсовый автобус РА1

Еще на отдельных участках работают, так называемые, рельсовые автобусы РА-1 и РА-2. Эта разработка и производство Мытищинского завода «Метровагонмаш». Что сказать о его конструкции и применении, та-же автомотриса и не больше и не меньше.

на каком виде топлива ездят поезда?

Паровозы ездили на угле. Сейчас (ретро-поезда) — на топочном мазуте, там форсунку в топку приделали.
Паровоз на дровах не поедет, не поднимется давление в котле. Да и в тендере места не хватит для такого «топлива». Дров надо будет вагонов шесть.
Тепловозы используют солярку, ту же что на АЗС льют. Одной заправки (5т) тепловозу ЧМЭ-3 зватает примерно на 5 дней средней работы по станции.
Электровозы и электропоезда ездят благодаря электрическому току.

И касаемо определения «поезд»: поезд это группа вагонов во главе с локомотивом.
У электропоезда — это секция (2 вагона) . Она так устроена, что технически всегда должен быть моторный и прицепной вагон. Обратите внимание, что число вагонов в электричке по этой причине всегда ЧЕТНОЕ.
Так называемый «многосекционный поезд» с несколькими запараллелеными локомотивами.

Похожие публикации:

1. Com что это в электронике
2. Sonoff 4chr3 лимит таймеров как обойти
3. В чем измеряется удельное сопротивление
4. Для чего служат конденсаторы