Elektrický převod (EP) je metoda přenosu energie ze spalovacího motoru na pohon ve všech režimech , široce používaná u těžkých dopravních prostředků , zahrnující přeměnu mechanické rotační energie na elektrickou energii a naopak, stejně jako nepřítomnost tuhého kinematického spojení mezi hlavním hybatelem a pohonem. Obecně se vždy skládá z trakčního generátoru a jednoho nebo více trakčních motorů . Plní funkci převodovky a řeší podobné úlohy jako převodovka: vytvoření hyperbolické trakční charakteristiky , pohyb vpřed-vzad, rozjezd, odpojení poháněče a pohonné jednotky pro volnoběh. [1] Rozsah EP: městské autobusy, důlní sklápěče, těžké pásové tahače (cisterny), hlavní a posunovací dieselové lokomotivy, námořní motorové lodě (dieselové elektrické lodě, turboelektrické lodě), námořní plavidla s jaderným pohonem (včetně jaderných ponorky).
Princip činnosti
Mechanická energie rotace generovaná spalovacím motorem, který je u každého EP tzv. "primárním motorem", se přenáší na kotvu trakčního generátoru, kde se přeměňuje na elektrickou energii. Elektrická energie je zase přenášena kabely do trakčních motorů, kde se přeměňuje zpět na mechanickou rotační energii pro konečný přenos na hnací vozidlo. V procesu výroby a přenosu může být elektrická energie v EP transformována ve smyslu její proudové síly a napětí bez změny výkonu, což v případě potřeby umožňuje vytvořit hyperbolickou trakční charakteristiku samotného dopravního stroje s téměř jakákoliv vnější rychlostní charakteristika hnacího motoru.
Ovládání
[2] V každém EP je možné použít 4 typy regulátorů: regulátor výkonu trakčního generátoru; regulátor buzení trakčního generátoru; regulátory proudových měničů; regulátory buzení a směru otáčení trakčních motorů. Regulátor výkonu trakčního generátoru určuje jeho rychlost otáčení a jeho výkon v kW související s touto konkrétní frekvencí. (ve skutečnosti je tento výchozí regulátor samotným hlavním hybatelem). Zbývající tři regulátory umožňují tak či onak měnit sílu proudu a napětí a dále zajišťují spínací prvky ES pro zapínání/vypínání a změnu směru otáčení trakčních motorů. Je-li potřeba získat hyperbolickou trakční charakteristiku, zajišťuje to nejprve regulátor buzení trakčního generátoru a za druhé regulátory buzení trakčního motoru.
Klasifikátor podle "průhlednosti"
[3] EP lze analogicky s hydraulickými převody rozdělit na "průhledné" a "neprůhledné". Toto je neoficiální klasifikace, ale lze ji nalézt v informačních materiálech o EP. V takzvaném „neprůhledném“ EP přenáší trakční generátor elektrickou energii na trakční motory při proměnných hodnotách proudu a napětí. Takové převodovky jsou primárně potřebné u pozemních dopravních prostředků s pístovými spalovacími motory, protože tyto samotné nemohou poskytnout dopravní vozidlo s hyperbolickou trakční charakteristikou. V tzv. „průhledných“ nemusí být kromě regulátoru výkonu trakčního generátoru žádné regulátory a zůstávají pouze spínací zařízení pro vypínání a reverzaci. Takové převody lze použít na lodích (včetně ponorek), protože loď nepotřebuje hyperbolickou trakční charakteristiku.
Proudový klasifikátor
[4] V roli dvou hlavních prvků EP - trakčního generátoru a trakčního motoru - lze využít točivé elektrické stroje jak stejnosměrného, tak i střídavého proudu. V závislosti na typu proudu trakčního generátoru a trakčních motorů se EP dělí na DC-DC EP (nebo jednoduše DC EP), AC-DC EP, AC-AC EP (nebo proto AC EP) a AC-DC EP. proud neexistuje. Velmi specifický typ elektrických strojů používaných pro typ proudu může být téměř jakýkoli: kolektor, ventil, synchronní, asynchronní, jiné.
Zahrnuje DC trakční generátor a DC trakční motory. Trakční generátor - kolektor s nezávislým buzením. Trakční elektromotory - kolektor se sekvenčním buzením. Při libovolné nastavené rychlosti trakčního generátoru se zde rychlost otáčení trakčních motorů řídí dvěma nezávislými způsoby: změnou magnetického pole trakčního generátoru, změnou magnetického pole trakčních motorů. Ten či onen směr otáčení trakčních motorů je zpravidla zajišťován změnou směru proudu v jejich budicích vinutích pomocí skupinového spínače (revertoru). [5]
DC EP je technologicky nejdostupnější a prvními provozuschopnými EP dopravních prostředků byly právě DC EP. Dřívější konstrukce neprůhledných stejnosměrných elektrických pohonů dieselových lokomotiv neměly automatické řídicí systémy a za vytvoření hyperbolické trakční charakteristiky dieselové lokomotivy byl zodpovědný strojvedoucí, který ručně ovládal buzení generátoru pomocí samostatného regulátoru založeného na odečty voltmetru a ampérmetru (Ward-Leonardův obvod). V polovině 40. let se objevily automatické řídicí systémy pro trakční generátor na základě negativní zpětné vazby na proud trakčních motorů (Lempovo schéma). Od poloviny 50. let se používá řízení buzení trakčních motorů. V SSSR / Rusku byly nejpokročilejší automatické řídicí systémy použity na nejnovějších sériových dieselových lokomotivách s DC EP, vyráběných až do počátku 2000. V moderní technice se stejnosměrný elektrický proud příliš nepoužívá z důvodu nepříznivého poměru hmotnosti kolektorového generátoru k hodnotě od něj odebíraného elektrického výkonu, relativně nízkým přípustným obvodovým rychlostem kotvy a nutnosti častějšího údržba sestavy kartáč-kolektor. Dnes (2020) se dopravní vozy (především dieselové lokomotivy) s DC EP sériově nevyrábí, ale ty dříve vyráběné jsou v provozu.
Zahrnuje AC trakční generátor, usměrňovač a DC trakční motory. Přenosový trakční generátor je obvykle vyroben na bázi vícepólového třífázového proudového synchronního stroje s nezávislým buzením a trakční motory jsou zpravidla kolektorového typu se sériovým buzením. Jiné varianty trakčního generátoru (například synchronní jednofázové) a trakční motory (například ventilové motory) jsou také možné, ale nejmenší zvlnění usměrněného napětí (hodnoty řádově 6-7%) je zajištěno třífázovým synchronním generátorem se dvěma statorovými vinutími posunutými vůči sobě o 30e. stupně. Usměrňovač je obvykle křemíkový polovodič. Stejně jako v případě DC EP je zde při libovolné nastavené rychlosti otáčení trakčního generátoru řízení rychlosti otáčení trakčních motorů možné dvěma nezávislými způsoby: změnou magnetického pole trakčního generátoru a změnou magnetického pole. pole trakčních motorů. Směr otáčení trakčních motorů je zpravidla zajišťován změnou směru proudu v jejich budicích vinutích pomocí skupinového spínače (reverzátoru). [6]
AC EP může pracovat s úplně stejnými trakčními motory a s podobnými automatickými řídicími systémy jako DC EP a jeho hlavní rozdíl je v trakčním generátoru. Konstrukční komplikace EP z důvodu povinné potřeby usměrňovače je dána výhodami, které použití synchronního alternátoru poskytuje ve srovnání s kolektorovým stejnosměrným generátorem: téměř poloviční hmotnost na jednotku vyrobeného elektrického výkonu a výhoda v provozní spolehlivosti . Obojí je vysvětleno konstrukčními rysy točivých elektrických synchronních strojů, a to nepřítomností sestavy kartáčů a sběračů v nich, což na jedné straně umožňuje vytvářet generátory s vyššími obvodovými rychlostmi na povrchu rotoru, což znamená trakční generátor kompaktnější a zároveň lehčí.stejný výkon a na druhé straně zvyšuje spolehlivost odběru proudu. Také vyšší povolené otáčky synchronních alternátorů umožňují jejich připojení k vysokootáčkovým primárním motorům, jako jsou plynové turbíny, bez převodovky, což znamená výraznou úsporu hmotnosti dieselagregátu. [7]
AC-DC EP se stal možným až s příchodem relativně lehkých a spolehlivých křemíkových usměrňovačů. Jsou stále relevantní (2020) a v neprůhledné verzi jsou široce používány na mnoha těžkých dopravních vozech, od důlních sklápěčů až po velké lodě. Jsou hlavním typem EP moderních sériových hlavních a těžkých posunovacích dieselových lokomotiv ruské výroby.
Zahrnuje AC trakční generátor, AC trakční motory. Z hlediska typu použitých elektrických točivých strojů nemá AC EA kanonickou podobu, a to jak z důvodu neexistence rozsáhlého uplatnění potvrzeného provozní praxí, tak z důvodu různých provozních možností, které ta či ona kombinace elektrických strojů dává, které mohou být asynchronní, synchronní, ventilové . Nejjednodušší AC EP se skládá ze synchronního trakčního generátoru a asynchronních trakčních motorů. Takový ES bude průhledný a momenty na hřídeli trakčního generátoru a trakčního motoru budou úměrné. Vytvoření hyperbolické charakteristiky tahu s takovým schématem je obtížné, ale je použitelné buď tam, kde to není nutné, nebo v kombinaci s turbohřídelovým motorem s plynovou turbínou. Složitější zdroje střídavého proudu mohou obsahovat měnič sestávající z usměrňovače a měniče a předpokládají dvojitou konverzi typu proudu: ze střídavého na stejnosměrný a zpět na střídavý. Takový ED může být „neprůhledný“ a poskytovat dopravnímu vozidlu hyperbolickou trakční charakteristiku, což potenciálně umožňuje jeho použití na dieselových lokomotivách s dieselovými spalovacími motory. Jsou možná i jiná schémata, včetně těch s ventilovými trakčními motory. [6] [8]
Elektrická převodovka zajišťuje pohodlnou změnu frekvence a směru otáčení na výstupu, plynulé rozjezdy a také rozdělení výkonu na několik hnacích kol / náprav; generátorové soustrojí může být umístěno kdekoli ve vozidle bez ohledu na umístění trakčních motorů a neomezuje (v rámci pružnosti kabelů napájejících elektromotory) pohyb elektromotorů vůči generátoru, což značně zvyšuje jednoduchost a spolehlivost mechanické části.
Všechny komponenty elektrického přenosu přitom mají velkou hmotnost a jejich výroba spotřebovává velké množství neželezných kovů, především mědi , která se v 10. letech velmi prodražila .