Попытки применения электродвигателей для создания движущей силы в
транспортных средствах предпринимались с начала XIX в. Так русский
академик Б.С. Якоби в 1834 г. продемонстрировал на реке Неве работу
лодки с электроприводом, получавшим питание от электрохимических
батарей. Первый электрифицированный участок
Баку—Сабунчи—Сураханы на постоянном токе напряжением 1200 В,
протяженностью 19 км был введен 6 июля 1962 г.
При электрической тяге применяется централизованное
энергоснабжение, когда все потребители энергии питаются от общей
электроэнергетической системы. Это дает возможность использования
энергии из любых первичных источников — тепловых, гидравлических и
атомных электростанций.
Электровозы постоянно соединены с системой электроснабжения.
Это дает возможность применять рекуперативное торможение, при котором
тяговые электродвигатели работают в режиме генератора и вырабатывают
электроэнергию, возвращая ее в систему электроснабжения. При этом
снижается износ тормозных колодок и бандажей колес. Особенно эффективно
применение рекуперативного торможения на затяжных спусках.
Электровозы имеют кузов, внутри которого размещается кабина
машиниста с аппаратами управления, контрольно-измерительными приборами,
тормозными кранами. В средней части кузова располагается высоковольтная
камера с электрической аппаратурой. Кроме того, в кузове размещены
вспомогательные машины — мотор-компрессор, мотор-вентилятор, генераторы
тока управления и другие.
Кузов электровоза опирается на тележки, которые могут быть
как двухосные, так и трехосные. На каждой оси установлены тяговые
двигатели, от которых вращающий момент передается колесным парам.
На рис. 6.11 показана компоновочная схема электровоза ВЛ80к с кремниевыми выпрямителями.
К механической части относятся кузов и тележки.
Электрическая часть состоит из тяговых электродвигателей (ТЭД),
вспомогательных электрических машин, аппаратуры для управления
двигателями и вспомогательными машинами. На электроподвижном составе
переменного тока и двойного питания в электрическую часть дополнительно
входят трансформаторы и преобразователи тока.
Колесная пара электровоза (рис. 6.12) состоит из оси, двух
колесных центров с бандажами и двух больших зубчатых колес тяговой
передачи.
Большие зубчатые колеса входят в зацепление с малыми
зубчатыми колесами, насаженными на вал тягового двигателя (рис. 6.13).
К тяговым электродвигателям предъявляются очень высокие
требования. Они должны выдерживать кратковременные перегрузки,
значительно превышающие их номинальные режимы. Например, двигатель
должен выдерживать двойной часовой ток в течение не менее 2 мин без
недопустимого искрения под щетками. При номинальном напряжении 3000 В
двигатель должен устойчиво работать при 4000 В
В качестве тяговых электродвигателей на электровозах
постоянного тока применяют преимущественно двигатели с последовательным
возбуждением, рассчитанные на номинальное напряжение 1500 В.
При управлении электровозом машинист регулирует силу тяги,
скорость движения и ее направление, а также процессы электрического
торможения. Скорость движения электровоза можно регулировать путем
изменения напряжения питания или тока возбуждения.
Для изменения напряжения питания двигатели могут включаться
по трем различным схемам — последовательной,
последовательно-параллельной и параллельной (рис. 6.14). При этом
напряжение на зажимах двигателей будет соответственно 500, 1000 и 1500
В.
Число оборотов вала электродвигателя определяют по формуле
где Uд — напряжение, приложенное к двигателю; Iд — ток в
цепи якоря при неизменном Uд ; rд — сопротивление обмоток; С —
постоянная машины; Ф — магнитный поток.
Ток возбуждения можно изменить включением параллельно обмотке возбуждения шунтирующего сопротивления.
Помимо описанных основных типов локомотивов существуют также газотурбовозы и атомовозы.
У газотурбовоза первичным двигателем является газовая
турбина. Схема газотурбинной установки показана на рис. 6.15.
Приводимый первоначально в действие двигателем 1 компрессор 2 сжимает
воздух до давления 6—8 кгс/см2 и подает его в камеру сгорания 4, куда
подается топливо при помощи топливного насоса 3. Продукты сгорания и
несгоревший воздух образуют воздушногазовую смесь. Она поступает при
температуре 800—1000 °С на лопатки газовой турбины 5, которая, в свою
очередь, через распределительный редуктор вращает тяговый генератор 6.
Компоновочная схема газотурбовоза представлена на рис. 6.16.
Газотурбовоз Г1-01 был построен в 1959 г. Коломенским заводом тяжелого
машиностроения. На газотурбовозе был установлен газотурбинный двигатель
(ГТД) мощностью 2600 кВт. Конструкционная скорость — 100 км/ч.
Газотурбинная установка (ГТУ) имеет низкий удельный вес на
единицу мощности — 0,6—1,0 кг/л.с. против 3—5 кг/л.с. у двигателей
внутреннего сгорания. Она имеет высокую надежность, что объясняется
простотой конструкции и отсутствием водяной и масляной систем, низкие
затраты на обслуживание и ремонт, низкий расход масла и может
использовать любые виды топлива.
К недостаткам газотурбовоза следует отнести низкий КПД
(около 20 %), большой расход топлива и, как следствие, необходимость
иметь топливные баки большой емкости.
Атомная энергия также может быть использована для приведения
локомотивов в действие. В 1982 г. был создан проект атомовоза мощностью
4400 кВт с конструкционной скоростью 100 км/ч. Компоновочная схема
атомовоза представлена на рис. 6.17.
Принцип действия атомовоза заключается в следующем. В
реактор загружается уран-238, являющийся топливом. В результате реакции
разогревается натрий (зараженный) первого контура. Он нагревает натрий
чистого контура до 700 °С, который в свою очередь нагревает до 600 °С
газ, поступающий из ГТД. Далее работа атомовоза аналогична работе
газотурбовоза, т.е. газовая турбина вращает якорь тягового генератора,
питающего тяговые электродвигатели.
В регенераторе газ, охлажденный до 400 °С, перемешивается с
атмосферным воздухом, поступающим из компрессора. Далее эта смесь
направляется в воздухонатриевый теплообменник.
Основными проблемами при эксплуатации атомовоза могут быть
обеспечение безопасности обслуживания, ремонта и эксплуатации атомных
реакторов и захоронение радиоактивных отходов.
КПД атомовоза может составлять около 15 %.
