ЛОКОМОТИВ-ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2003 года по МПК B61C5/00 H02J9/08 

Область применения - железнодорожный транспорт, где требуется автономный локомотив, способный обеспечивать питание от своей дизель-генераторной установки в нештатной ситуации объектов, нуждающихся в источнике электрической мощности с напряжением 380 В, 50 Гц.

Для многих ситуаций требуется иметь передвижную электростанцию, при значительной мощности - локомотив-электростанцию. Как правило, такое устройство состоит из автономного локомотива-тепловоза и прицепного вагона, в котором расположена дизель-генераторная установка или преобразовательное устройство, позволяющее иметь на выходе стандартное напряжение 380 В, 50 Гц.

Такая энергетическая установка, состоящая из собственно локомотива и преобразовательного устройства в обособленном вагоне, сложна и требует дополнительных затрат, в том числе и по содержанию.

Желательно иметь локомотив, генераторная установка которого способна служить источником мощности трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и линейным напряжением 380 В.

В настоящее время дизельные тепловозы имеют трехфазные генераторы, питающие через выпрямители тяговые двигатели постоянного тока. Оптимальными параметрами дизель-генераторной установки, например для тепловозов 2Э116 и ТЭП70, являются: частота вращения дизеля 1000 об/мин, линейное напряжение 580-600 В при частоте 100 Гц и обмотке статора, выполненной в виде двух обмоток, соединенных в звезду и сдвинутых пространственно на 30 эл. град эл (см.1, стр. 45 рис.22 и стр.192 табл. 11).

Этот вариант исполнения дизель-генераторной установки следует принять за прототип. Недостаток ее в том, что такая дизель-генераторная установка без радикального изменения не может быть использована для получения на выходе напряжения 380 В при частоте 50 Гц. При снижении частоты вращения дизеля до 500 об/мин для получения напряжения с частотой 50 Гц линейное напряжение генератора снизится до 290 В. Увеличить его до 380 В за счет увеличения тока возбуждения невозможно из-за насыщенной магнитной характеристики.

Создание тепловоза с дизель-генераторной установкой с выходным напряжением 380 В и 50 Гц нерационально по ряду причин:
а - большие токи в силовой цепи при заданной мощности;
б - частота 50 Гц может быть получена либо за счет снижения расчетной частоты вращения дизеля и увеличения его габаритов, либо за счет уменьшения числа полюсов генератора, что также приводит к увеличению габаритов генератора из-за увеличения лобовых вылетов статорной обмотки и толщины спинки магнитопровода статора.

Предлагается решение, при котором можно получить на выходе генератора трехфазное напряжение 380 В и однофазное напряжение 220 В при частоте 50 Гц за счет переключения обмоток статора и снижения частоты вращения дизеля до 500 об/мин. При этом у трехфазных статорных обмоток, подключенных к выпрямительным установкам параллельно, одноименные фазы соединяются последовательно.

Сущность и принцип работы предлагаемого локомотива-электростанции поясняются фиг.1-3.

На фиг. 1 приведена электрическая схема прототипа (см.1, рис.22), в которой две статорные обмотки, одноименные фазы которых, например А-х и А'-х', смещены на 30 эл. град для уменьшения пульсаций тока, питают выпрямительную установку ВУ и далее от них тяговые двигатели постоянного тока.

На фиг.2 показана измененная схема статорных обмоток, когда одноименные фазы соединены последовательностью, за счет чего можно получить на выходе генератора напряжение 380 В при частоте 50 Гц, подводимое к объектам с промышленной нагрузкой.

На фиг.3 показана схема переключателя П1, подающего напряжение от синхронного генератора ГС либо к промышленной нагрузке - режим I - режим электростанции, либо к выпрямителю ВУ - режим II - режим тяги.

Поскольку суммарный ток при включении фаз обмоток последовательно снижается в два раза, то в этой же кратности снижается и мощность генератора. Мощность дизеля при снижении частоты вращения до 500 об/мин также снизится в два раза. Однако она остается значительной, поскольку мощность дизель-генераторной установки, например тепловоза 2ТЭ116, составляет 2120•2 кВт. При работе по предложенной схеме мощность составит 1060•2 кВт, что достаточно для электроснабжения крупного поселка и промышленного объекта.

Пересоединение обмоток статора выполняется в лобовых вылетах генератора (см.1, стр.194) и никакой трудности не представляет. У дизелей с турбонаддувом потребуется модернизация проточной части турбокомпрессора для реализации при частоте вращения коленчатого вала 500 об/мин половиной мощности дизель-генератора. В связи с тем, что напряжение на отдельных фазах будет снижено, не возникнут трудности с током возбуждения, а также с другими вспомогательными машинами. Если на локомотиве предусмотрены две дизель-генераторные установки, то трудностей работы двух синхронных генераторов на общую сеть не возникает. Тяговая мощность локомотива-электростанции уменьшится в два раза, т. е. он будет в режиме тяги реализовывать те же расчетные скорости, что и базовый тепловоз, но при уменьшенной в два раза массе состава.

Таким образом, с помощью предложенных конструктивных изменений в электрической схеме тепловоза можно получить универсальный агрегат: локомотив-электростанцию.

Имеется возможность расширить функции локомотива-электростанции, если добавить еще одно переключающее устройство: групповой переключатель фаз П2. Связь его контактов со схемой обмоток показана на фиг.4, на фиг.5 - расположение контактов для обеспечения требуемых режимов работы.

Сущность нового конструктивного дополнения состоит в том, что согласно фиг. 4 у двух фазных обмотках одноименные фазы А и А', В и В', С и С' могут включаться либо последовательно (фиг.2), либо обособленно параллельно, как показано на фиг. 1. На фиг.5 переключатель П2, замыкая контакты 1-2-3-7-8, обеспечивает параллельное питание обмотками выпрямительной установки ВУ и полную мощность генератора, например, для тепловоза 2ТЭ116 она составляет 2120•2 кВт при работе дизеля на частоте вращения 1000 об/мин. Это исходный режим III. При размыкании контактов 1-2-3-7-8 и замыкании контактов 3-4-5 обеспечиваются режимы I и II, когда дизель-генераторная установка работает в режиме электростанции (режим I) и в режиме тяги, но с половинной тяговой мощностью (режим II).

Таким образом, имеется возможность создать два варианта локомотива-электростанции. Первый вариант предельно прост в реализации, но позволяет использовать только половину мощности дизель-генераторной установки как в режиме тяги, так и в режиме электростанции; второй вариант требует дополнительного усложнения за счет добавочного группового переключателя, но позволяет реализовать полную тяговую мощность, сохраняя половинную мощность в режиме электростанции. В этом варианте тепловоз, изготовленный на оптимальные параметры, может находиться в обычной эксплуатации, но в нужный момент переключиться на режим электростанции. Для этого потребуется установить на двигателе два турбокомпрессора, один из которых будет обеспечивать его воздухоснабжение при 500 об/мин и половинной мощности, а при автоматическом подключении второго турбокомпрессора (регистровая система наддува) - реализовать при 1000 об/мин номинальную мощность дизель-генератора. Такое техническое решение позволит также повысить топливную экономичность тепловоза во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок.

Предлагаемые многофункциональные локомотивы-электростанции могут быть использованы не только для чрезвычайных, нештатных ситуаций, но и как временные источники электроэнергии, когда по каким-то причинам ее недостает, а также как резервные электростанции для объектов, где прерывание электроснабжения недопустимо.

Источник информации
Луков Н. М., Стрекопыв В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов. - М.: Транспорт, 1987, с. 45, 192.

Область применения - железнодорожный транспорт, где используются автономные локомотивы, способные обеспечить питание объектов электроэнергией в нештатной ситуации от своей дизель-генераторной установки. Для получения на выходе трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц для питания промышленных и других объектов в нештатных ситуациях предлагается переключать две статорные обмотки генератора на последовательное соединение посредством переключателя. Для перехода с режима тяги в режим электростанции локомотив имеет дополнительный переключатель. Использование двух турбокомпрессоров наддува позволяет реализовать полную тяговую мощность тепловоза и повысить его топливную экономичность во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Локомотив-электростанция на базе тепловоза с двигателем внутреннего сгорания, трехфазным генератором с двумя фазными обмотками статора, одноименные фазы которых смещены на 30 эл. град и каждая обмотка выполнена с возможностью подключения к выпрямительной установке для подачи напряжения на тяговые двигатели постоянного тока, отличающаяся тем, что одноименные фазы статорных обмоток генератора выполнены с возможностью последовательного соединения, а генератор снабжен переключателем нагрузки для перехода с режима тяги на режим электростанции. 2. Локомотив-электростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным переключателем, позволяющим осуществлять переключение одноименных фаз статорных обмоток с последовательного соединения на параллельное и обратно. 3. Локомотив-электростанция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена двумя турбокомпрессорами наддува двигателя внутреннего сгорания для повышения топливной экономичности тепловоза.