Инверторная система запуска силовой установки автономного локомотива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Плешаков Андрей Александрович

• Плешаков Андрей Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Плешаков Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1 Анализ основных типов систем запуска тепловых двигателей

1.1.1 Пневматическая система запуска двигателей

1.1.2 Гидравлическая система запуска двигателей

1.1.3 Электрические системы запуска двигателей

1.1.3.1 Электрические системы запуска отечественных двигателей автономных локомотивов

1.1.3.2 Электрические системы запуска иностранных двигателей автономных локомотивов

1.2 Предложения по совершенствованию системы запуска силовых установок автономных локомотивов

1.3 Выводы по первому разделу

2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЗАПУСКА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПУСКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Структурная схема пускового преобразователя

2.1.1 Структурная схема звена повышения напряжения

2.1.2 Структурная схема регулятора тока возбуждения

2.1.3 Структурная схема инвертора напряжения

2.1.4 Структурная схема системы автоматического управления

2.2 Выбор основной элементной базы для пускового преобразователя

2.2.1 Силовые полупроводниковые приборы

2.2.2 Драйверы для силовых ключей

2.2.3 Микроконтроллер

2.2.4 Конденсаторы фильтра

2.2.5 Снабберные конденсаторы

2.2.6 Входные дроссели

2.3 Выводы по второму разделу

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНВЕРТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМОНОГО ЛОКОМОТИВА

3.1 Математическая модель пускового преобразователя

3.1.1. Звено повышения напряжения

3.1.2 Регулятор тока возбуждения

3.1.3 Автономный инвертор напряжения

3.1.4 Система автоматического управления

3.2 Синхронный генератор

3.3 Выводы по третьему разделу

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНВЕРТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМОНОГО ЛОКОМОТИВА

4.1 Обоснование выбора пакета моделирования

4.2 Имитационная модель инверторной системы запуска

4.2.1 Имитационная модель пускового преобразователя

4.2.2 Имитационная модель синхронной машины

4.2.3 Имитационная модель нагрузки

4.2.4 Имитационная модель аккумуляторной батареи

4.3 Выводы по четвертому разделу

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

ИНВЕРТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

5.1 Результаты моделирования регулятора тока возбуждения

5.2 Результаты моделирования регулятора звена повышения входного напряжения

5.3 Результаты моделирования регуляторов токов статора синхронной машины

5.4 Результаты моделирования процесса раскрутки коленчатого вала двигателя

5.5 Выводы по пятому разделу

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИНВЕРТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

6.1 Стендовые испытания

6.1.1 Описание состава стендового оборудования и принципа его работы

6.1.2 Результаты стендовых испытаний

6.1.3 Результаты эксплуатационных испытаний

6.2 Оценка энергетической эффективности предлагаемого технического решения

6.3 Оценка эксплуатационной надежности инверторной системы запуска

6.4. Выводы по шестому разделу

7 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНВЕРТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА

7.1 Оценка технической и экономической эффективности инверторной системы запуска

7.2 Оценка эффективности применения инверторной системы запуска силовой

установки автономного локомотива

7.2.1 Методика расчета чистого дисконтированного дохода

7.2.2 Методика расчета срока окупаемости потребных инвестиций

7.2.3 Методика расчета стоимости жизненного цикла

7.3 Расчет показателей технико-экономического обоснования

7.3.1 Расчет экономии годовых затрат на сервисное обслуживание и ремонт

инновационной системы запуска

7.3.2 Расчет стоимости жизненного цикла сопоставляемых систем запуска

силовых установок автономных локомотивов

7.3.3 Расчет экономии эксплуатационных расходов

7.3.4 Расчет чистого дисконтированного дохода и срока окупаемости

инверторной системы запуска

7.4 Выводы по седьмому разделу

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инверторная система запуска силовой установки автономного локомотива»

Актуальность темы исследования

Эффективное функционирование железнодорожного транспорта Российской Федерации играет исключительную роль в создании условий для модернизации, перехода на инновационный путь развития и устойчивого роста национальной экономики, способствует созданию условий для обеспечения лидерства в мировой экономической системе [1].

С целью оперативного и эффективного реагирования на внешние и внутренние вызовы холдингом «РЖД» разработана и утверждена стратегия научно-технологического развития отрасли до 2030 года, которая должна обеспечить опережающее развитие железнодорожного транспорта Российской Федерации.

Одним из приоритетных направлений данной стратегии является организация тяжеловесного движения. Увеличение весовых норм, скоростей движения требует проектирования новых более мощных и высокотехнологичных локомотивов, которые должны использовать перспективные «интеллектуальные технологии», обеспечивающие [2]:

- технологический суверенитет за счет использования при производстве локомотивов и их составных частей преимущественно отечественной компонентной базы или комплектующих дружественных стран (Белоруссия, КНР, Индия);

- повышение фактических показателей надежности;

- существенное снижение затрат на техническое обслуживание и ремонт подвижного состава.

На большинстве известных автономных локомотивах в качестве силовой установки используется тепловой двигатель, который приводит во вращение генератор, вырабатывающий электрическую энергию для питания тяговых электродвигателей (за исключением подвижного состава с гидропередачей). Важным элементом силовой установки является схема ее запуска. Как показал

опыт эксплуатации автономных локомотивов, существующие системы запуска имеют невысокую надежность, связанную со следующими факторами:

- повышенным износом аккумуляторной батареи в процессе пуска двигателей, который обусловлен невозможностью ограничения начального пускового тока;

- выходом из строя электрических пусковых устройств;

- выходом из строя механических приводов устройств раскрутки коленчатого вала двигателя;

- износом механических частей приводов в связи с наличием узлов трения;

- затрудненным запуском двигателей в холодных климатических условиях;

- невозможностью запуска при пониженном напряжении аккумуляторной батареи или уменьшении ее емкости вследствие деградации источника энергии в течение времени эксплуатации [3].

В результате анализа отказов оборудования тепловозов серии 2ТЭ25КМ (при выборке 124 секции и периоде эксплуатации 24 месяца), выявлено, что значительная часть неисправностей (37,42 % от общего количества отказов) связана с дизель-генераторной установкой. При этом 17 % отказов силовой установки обусловлено неисправностью элементов системы запуска - приводов распределительного вала, стартер-генератора и аккумуляторной батареи.

Также следует отметить, что указанные системы запуска силовых установок характеризуются существенными затратами труда на выполнение регламентных работ при проведении технических обслуживаний и ремонтов. Данный фактор значительно увеличивает стоимость жизненного цикла всего локомотива.

Таким образом, задача по разработке новой системы запуска силовых установок автономных локомотивов, которая позволит комплексно решить проблемы, связанные с наличием непосредственной механической связи устройства предварительной раскрутки с дизельным двигателем, а также повышенной нагрузки на аккумуляторную батарею, является чрезвычайно важной и актуальной на сегодняшний день и в ближайшей перспективе.

Степень разработанности темы исследования

Исследованиями в области изучения процессов, протекающих в момент запуска тепловых двигателей транспортных средств, совершенствованием конструкции систем запуска, внедрением технических решений, позволяющих улучшить характеристики пусковых устройств, в разное время занимались такие ученые, как Н.В. Анищенко, Ю.В. Бабков, О.А. Бурмакин, А.И. Валеев, Н.В. Грачев, В.В. Гуляев, Е.А. Гурова, М.Г. Гуров, С.А. Иванов, Ю.И. Клименко, С.В. Макаров, О.И. Новиков, А.С. Репин, К.А. Рябко В.А. Филипов и другие специалисты. В работах вышеуказанных авторов предложены различные технические решения, которые позволяют компенсировать отдельные недостатки существующих систем запуска тепловых двигателей, однако, комплексно решить проблемы, связанные с эксплуатацией систем запуска, на сегодняшний день не удалось.

Объект исследования

Объектом исследования является инверторная система запуска силовой установки магистрального грузового тепловоза 3ТЭ28, которая состоит из аккумуляторной батареи, пускового преобразователя, дизель-генератора, оборудованного собственным электронным блоком управления, и релейно-контакторной аппаратуры.

Предмет исследования

Предметом исследования являются электромагнитные и электромеханические процессы преобразования энергии, которые протекают при раскрутке коленчатого вала двигателя тепловоза 3ТЭ28 синхронным генератором, получающим питание от аккумуляторной батареи посредством пускового преобразователя.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является разработка концепции запуска силовых установок автономных локомотивов с применением пускового преобразователя на базе современных силовых полупроводниковых приборов и электронных компонентов отечественного производства, а также повышение

энергетической эффективности и надежности систем запуска двигатель-генераторных установок локомотивов.

Для достижения поставленной цели диссертационного исследования в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих систем запуска силовых установок автономных локомотивов, выявлены технические особенности их применения, определены основные недостатки, лимитирующие эффективность и надежность их работы;

- разработана структурная схема инверторной системы запуска на базе пускового преобразователя с учетом результатов анализа существующих систем запуска силовых установок автономных локомотивов и требований к новому подвижному составу;

- разработана структура и принципиальная схема силовой части пускового преобразователя;

- разработана структура и принципиальная схема системы автоматического управления пускового преобразователя;

- приведена математическая модель структурных элементов предлагаемой инверторной системы запуска силовой установки локомотива;

- разработаны алгоритмы управления и защиты для системы автоматического управления пускового преобразователя;

- разработана имитационная компьютерная модель системы запуска двигателя автономного локомотива на базе пускового преобразователя. Модель позволяет предварительно оценить эффективность предлагаемого технического решения, а также разрабатывать и верифицировать алгоритмы управления;

- предложена принципиальная электрическая схема стенда для испытаний системы запуска;

- выполнена экспериментальная проверка предлагаемой системы запуска на разработанном испытательном стенде;

- проведены эксплуатационные испытания разработанной системы запуска в составе опытного образца магистрального грузового тепловоза 3ТЭ28;

- выполнен анализ эксплуатационной надежности инверторной системы запуска силовой установки тепловоза 3ТЭ28;

- разработано технико-экономическое обоснование для предлагаемого технического решения.

Научная новизна

1) Предложена новая концепция системы инверторного запуска силовой установки автономных локомотивов от синхронного генератора с применением пускового преобразователя на современных полупроводниковых элементах, исключающая из схемы стартер-генератор и упрощающая конструкцию привода распределительного вала двигателя.

2) Предложено новое схемное решение для пускового устройства, в состав которого включен повышающий преобразователь входного напряжения, состоящий из параллельно включенных ячеек, позволяющий обеспечивать запуск двигатель-генераторной установки при пониженном напряжении на аккумуляторной батарее.

3) Разработаны алгоритмы работы и программное обеспечение для пускового преобразователя, которые обеспечивают надежный запуск силовой установки автономного локомотива, эффективное использование энергии и ресурса аккумуляторной батареи, реализующие, в отличие от применяемых в настоящее время электрических систем запуска, режим ограничения тока, потребляемого от накопителя энергии при трогании и раскрутке коленчатого вала двигателя пусковым устройством.

4) Предложен новый способ инверторного запуска двигатель-генераторной установки автономного локомотива, отличающийся от известных наличием предварительного позиционирования ротора, который обеспечивает предотвращение выпадения из синхронизма электрической машины во время раскрутки коленчатого вала двигателя и исключает необходимость использования датчика углового положения и частоты вращения ее ротора.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) Разработана имитационная компьютерная модель инверторной системы запуска силовой установки автономного локомотива, которая позволяет исследовать электромеханические процессы, протекающие при раскрутке коленчатого вала двигателя явнополюсной синхронной машиной, получающей питание от аккумуляторной батареи посредством пускового преобразователя.

2) Разработан испытательный стенд, который дает возможность исследовать процессы, протекающие в пусковом преобразователе, а также осуществлять проверку его функционирования, выполнять различные виды испытаний (предварительные, приемочные, приемо-сдаточные).

3) Получены результаты стендовых и эксплуатационных испытаний инверторной системы запуска силовой установки в составе тепловоза 3ТЭ28, подтверждающие эффективность использования предлагаемого технического решения. Полученные данные могут использоваться при проектировании систем запуска для новых серий локомотивов или для модернизации уже существующего тягового подвижного состава.

4) Предложенный способ инверторного запуска силовых установок локомотивов с предварительным позиционированием ротора позволяет исключить выпадение из синхронизма электрической машины без использования датчика положения и частоты вращения ее ротора. Предложенный способ также может быть использован при проектировании пусковых устройств для других видов транспортных средств.

5) Предлагаемая инверторная система запуска внедрена в состав комплекта электрооборудования магистральных грузовых тепловозов серии 2(3)ТЭ28.

Методология и методы исследования

Задачи, поставленные в данной исследовательской работе, решены с использованием методов теоретической электротехники и электроники, математического анализа, теории автоматического управления, основ электромеханического преобразования энергии в синхронных электрических машинах, статистических методов обработки экспериментальных данных,

методов сравнительного анализа. Исследование режимов работы предлагаемой инверторной системы запуска выполнялось с применением имитационных математических моделей, разработанных в специализированных пакетах прикладных программ для моделирования. Натурные эксперименты проводились на разработанном испытательном стенде, а также в рамках эксплуатации магистрального грузового тепловоза 3ТЭ28.

Положения, выносимые на защиту

1) Структурная схема предлагаемой системы инверторного запуска силовой установки автономного локомотива.

2) Структурная схема пускового преобразователя.

3) Математическая и имитационная компьютерная модели системы инверторного запуска силовой установки автономного локомотива.

4) Результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования работы системы инверторного запуска силовой установки автономного локомотива.

Степень достоверности и апробации результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием теоретических расчетов и данных, полученных при работе имитационной компьютерной модели, результатам стендовых и эксплуатационных испытаний инверторной системы запуска с учетом принятых допущений.

Основные положения исследовательской работы докладывались и обсуждались в рамках международных научно-технических конференций, симпозиумов и форумов «Научные основы и технологии повышения ресурса и живучести подвижного состава железнодорожного транспорта» в 2021г.; «ЕИгаш-2023. Электрификация и электрическая тяга: цифровая трансформация железнодорожного транспорта»; «Наука и инновации - современные концепции» в 2023г., «Наука 1520 ВНИИЖТ - Загляни за горизонт» в 2023г., «Железнодорожный подвижной состав: проблемы, решения, перспективы» в 2024г., общероссийской конференции «Современное состояние и перспективы развития полупроводниковой электроники и преобразовательной техники на ее

основе» 2021г., а также на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС и научно-технического совета АО «ВНИКТИ».

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, использованы при разработке и постановке на производство преобразователей пусковых дизель-генератора ППДГ-1200-200-У2. Концепция инверторного запуска силовой установки применена в системе запуска дизель-генераторной установки 18-9ДГМ новой серии грузовых магистральных тепловозов 3ТЭ28, а также для перспективных газопоршневых двигателей 9ГМГ, разработанных для эксплуатации в составе маневровых локомотивов.

По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, из которых 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 2 патента на изобретение и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1 Анализ основных типов систем запуска тепловых двигателей

Основными типами автономных локомотивов, которые эксплуатируются на железных дорогах в Российской Федерации, являются:

- тепловозы (магистральные, маневровые) с различными типами передач мощности;

- газотурбовозы и газотепловозы (единичные образцы);

- дизель-поезда;

- автомотрисы;

- специальный подвижной состав, применяемый для обслуживания и ремонта путевого хозяйства.

Наиболее распространенными силовыми установками эксплуатирующихся в настоящее время автономных локомотивов являются двигатель-генераторные установки, в которых происходит преобразование механической энергии теплового двигателя в электрическую энергию на выходе тягового генератора, питающего через промежуточные устройства (выпрямители, полупроводниковые преобразователи) тяговые электродвигатели локомотива.

Менее широкое применение нашел подвижной состав с гидравлической передачей мощности, в котором крутящий момент теплового двигателя посредством гидропередачи передается через карданные валы и осевые редукторы на колесные пары локомотива. Данный тип передачи используется в основном на маневровых, маневрово-вывозных тепловозах, автомотрисах, дизель-поездах.

По виду топлива, используемого тепловым двигателем, можно выделить:

- дизельные двигатели;

- газовые двигатели, работающие на сжиженном (пропан-бутан) или сжатом (метан) природном газе;

- газодизельные двигатели с различной степенью замещения газом дизельного топлива.

Для обеспечения автономной работы локомотивов, оборудованных двигатель-генераторными установками, необходимо обеспечить возможность их штатного запуска. Запуск двигателя представляет собой процесс проворота его коленчатого вала до определенной частоты вращения, который выполняется с целью создания в цилиндрах необходимого уровня сжатия топливовоздушной смеси и температуры, достаточной для воспламенения топлива, его устойчивого горения и дальнейшего перехода двигателя на циклическую работу [4]. На основании накопленного опыта эксплуатации двигателей внутреннего сгорания установлено, что для получения топливовоздушной смеси и ее нормального горения в цилиндрах необходимо раскрутить коленчатый вал до частоты не менее 50...70 об/мин [5].

Тип системы запуска двигателя определяется типом устройства предварительной раскрутки его коленчатого вала. По данному признаку можно выделить следующие типы систем запуска:

- пневматические;

- гидравлические;

- электрические;

- ручные (с использованием мускульной силы человека);

- от вспомогательных двигателей.

Классификация систем запуска тепловых двигателей по типу устройства предварительной раскрутки его коленчатого вала приведено на рисунке 1.1.

Типы систем запуска тепловых двигателей

От обмотки генератора постоянного тока

Рисунок 1.1 - Классификация систем запуска тепловых двигателей [4]

В пневматической системе запуска раскрутка коленчатого вала теплового двигателя обеспечивается энергией сжатого воздуха. Воздух в таких системах, как правило, хранится в специальных резервуарах или баллонах, а избыточное давление создается воздушным компрессором.

В гидравлической системе запуска раскрутка коленчатого вала двигателя обеспечивается энергией жидкости, находящейся под высоким давлением в специальном гидроаккумуляторе. Повторная зарядка гидроаккумулятора в таких системах возможна при помощи ручного насоса или выполняется автоматически после запуска двигателя.

В электрических системах запуска раскрутка коленчатого вала двигателя осуществляется различными электрическими машинами, которые используются в двигательном режиме работы.

Мускульная сила человека (ручной запуск) применяется при запуске тепловых двигателей небольшой мощности. Двигатель некоторых автомобилей можно запустить, раскручивая специальной рукояткой его коленчатый вал. Также существуют системы запуска тепловых двигателей с применением инерционного стартера, в которых рукояткой через повышающий редуктор раскручивается маховик. Далее накопленная энергия маховой массы через понижающий редуктор передается на коленчатый вал двигателя, обеспечивая его раскрутку до необходимой для запуска частоты вращения. Такой способ применяется для запуска части тракторных двигателей, бронетанковой техники, поршневых авиационных двигателей и судовых двигателей небольшой мощности.

В качестве устройства предварительной раскрутки основного двигателя транспортного средства могут использоваться вспомогательные поршневые двигатели, которые запускаются при помощи электростартера или вручную. Запуск основной силовой установки осуществляется посредством специальных управляемых муфт сцепления передаточного механизма пускового двигателя. Данный способ запуска двигателя применяется на тракторах и специальной технике.

В общем случае основными элементами, входящими в состав систем запуска большинства тепловых двигателей, являются:

- независимый источник энергии, который требуется для обеспечения питания основных элементов системы запуска;

- устройство предварительной раскрутки коленчатого вала;

- аппаратура для подачи топлива в цилиндры двигателя в процессе запуска и дальнейшей его циклической работы;

- аппаратура для прокачки масла для смазывания трущихся элементов двигателя с целью их защиты от повреждения;

- система подогрева теплоносителей двигателя (при необходимости запуска в условиях низких температур окружающей среды);

- коммутационные устройства для переключения электрических цепей запуска;

- система управления верхнего уровня (может отсутствовать в явном виде);

- устройства для отображения параметров запуска или индикации текущего состояния процесса.

Обобщенная структурная схема такой системы приведена на рисунке [4].

т

I I

±

Устройства для отображения параметров запуска/ устройство индикации

г-----1

► Система управления _

I верхнего уровня I,_

Независимый К1

источник

энергии

Устройство предварительной раскрутки

К2

_ _ _ .-. Тепловой Аппаратура для

двигатель —--»» подачи топлива

I

КЗ

Г

_____, I

I Система подогрева |— J

теплоносителей ' ' двигателя |

'---1--

I____

К4

т

\

Аппаратура для подачи масла

? компоненты

- обязательные I

- дополнительные компоненты

К1 - К4 - коммутационные устройства

Рисунок 1.2 - Обобщенная структурная схема системы запуска теплового двигателя

К системам запуска двигателей предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение надежного запуска при заданных условиях эксплуатации без выполнения дополнительных регулировок и настроек элементов автоматики и топливной аппаратуры;

- автономность запуска от бортовых источников энергии;

- выполнение нескольких последовательных запусков с заданным интервалом времени без подзарядки бортовых источников энергии;

- максимальная автоматизация процесса запуска;

- обеспечение защиты двигателя и других элементов системы при возникновении нештатных ситуаций в процессе запуска;

- высокая надежность элементов;

- низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Каждая из вышеуказанных систем имеет свои преимущества и недостатки, лимитирующие ее эффективное применение в различных видах транспорта.

1.1.1 Пневматическая система запуска двигателей

Данный тип системы запуска применяется для прокрутки коленчатого вала мощных двигателей.

В состав системы входят следующие элементы:

- емкость для хранения сжатого воздуха (баллоны);

- вспомогательный пусковой компрессор;

- главный (пусковой) клапан - предназначен для соединения трубопровода пуска двигателя с баллонами в период пуска и для быстрого прекращения подачи воздуха по окончании его;

- трубопроводы, объединяющие элементы системы;

- пусковой воздухораспределитель - обеспечивает подачу сжатого воздуха к пусковым клапанам в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя;

- пусковые клапаны цилиндров - применяются для подачи сжатого воздуха непосредственно в цилиндры двигателя.

Алгоритм запуска двигатель-генераторных установок с использованием энергии сжатого воздуха следующий:

- в цилиндры двигателя через пусковые клапаны подается сжатый воздух из специальных емкостей для его хранения;

- за счет энергии пускового воздуха поршень в цилиндре перемещается вниз, при этом коленчатый вал начинает проворачиваться;

- далее операция повторяется для следующего цилиндра в соответствии с порядком их работы;

- при достижении частоты вращения коленчатого вала достаточной для включения топливных насосов происходит впрыск топлива в цилиндры двигателя;

- через небольшой интервал времени после включения топливных насосов управляющий воздух стравливается в атмосферу, пусковые клапаны закрываются. Также стравливается воздух из трубопроводов системы запуска.

Данный тип системы запуска двигатель-генераторной установки применялся на тепловозах ТЭ136, 2ТЭ136 и 2ТЭ126, которые производились ПО «Ворошиловградтепловоз».

Одной из отличительных особенностей данных локомотивов являлось использование в качестве силовой установки дизель-генератора типа 1-20ДГ, состоящего из дизеля 1-1Д49 и тягового агрегата А-716.

Основные параметры дизельного двигателя типа 1-1Д49 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные параметры двигателя 1-1Д49

Наименование параметра Значение

Тип 1-1Д49

Полная мощность, кВт (л. с.) 4410 (6000)

Номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин 1000

Продолжение таблицы 1.1

Наименование параметра Значение

Турбонаддув Двухступенчатый с двойным охлаждением наддувочного воздуха

Удельный расход топлива на полной мощности, г/(кВт*ч) 210+11

Масса двигателя, кг 24 500

Двадцатицилиндровые модификации дизельных двигателей типа Д49 являлись наиболее форсированными и мощными тепловозными двигателями, выпускавшимися отечественной промышленностью [6].

Запуск двигатель-генератора осуществлялся сжатым воздухом давлением до 90 кг/см2, который хранился в специальных баллонах на тепловозе. Сжатие воздуха производилось вспомогательным компрессором, имеющим электрический привод [7]. В крышках одного ряда цилиндров устанавливались пусковые клапаны, на лотке - десять пусковых золотников, через которые воздух подавался в цилиндры. При запуске пусковые золотники управлялись кулачками, размещенными на распределительном вале двигателя.

На рисунке 1.3 приведен общий вид тепловоза 2ТЭ126, оборудованного системой пневматического запуска.

На рисунке 1.4 приведено размещение оборудования тепловоза 2ТЭ126 и ТЭ136, в том числе указаны баллоны для хранения сжатого воздуха и вспомогательный пусковой компрессор.

Рисунок 1.4 - Размещение оборудования на тепловозах 2ТЭ126 и ТЭ136

Эксплуатация пневматической системы запуска двигателей выявила ряд недостатков:

- повышенные требования к качеству сжатого воздуха. При низких температурах окружающей среды и высокой влажности воздуха возможно замерзание системы запуска. Для надежной работы необходимы дополнительные устройства осушки воздуха, а также его очистки от механических примесей для недопущения засорения клапанов и воздухораспределителя;

- большой расход воздуха при запуске двигателя;

- повышенные эксплуатационные требования. Возможны утечки сжатого воздуха при нарушении герметичности системы, в связи с чем требуется периодический контроль трубопроводов и баллонов;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Плешаков Андрей Александрович, 2025 год

источник

энергии

Устройство предварительной раскрутки

К2

_ _ _ .-. Тепловой Аппаратура для

двигатель —--»» подачи топлива

I

КЗ

Г

_____, I

I Система подогрева |— J

теплоносителей ' ' двигателя |

'---1--

I____

К4

т

\

Аппаратура для подачи масла

? компоненты

- обязательные I

- дополнительные компоненты

К1 - К4 - коммутационные устройства

Рисунок 1.2 - Обобщенная структурная схема системы запуска теплового двигателя

К системам запуска двигателей предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение надежного запуска при заданных условиях эксплуатации без выполнения дополнительных регулировок и настроек элементов автоматики и топливной аппаратуры;

- автономность запуска от бортовых источников энергии;

- выполнение нескольких последовательных запусков с заданным интервалом времени без подзарядки бортовых источников энергии;

- максимальная автоматизация процесса запуска;

- обеспечение защиты двигателя и других элементов системы при возникновении нештатных ситуаций в процессе запуска;

- высокая надежность элементов;

- низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Каждая из вышеуказанных систем имеет свои преимущества и недостатки, лимитирующие ее эффективное применение в различных видах транспорта.

1.1.1 Пневматическая система запуска двигателей

Данный тип системы запуска применяется для прокрутки коленчатого вала мощных двигателей.

В состав системы входят следующие элементы:

- емкость для хранения сжатого воздуха (баллоны);

- вспомогательный пусковой компрессор;

- главный (пусковой) клапан - предназначен для соединения трубопровода пуска двигателя с баллонами в период пуска и для быстрого прекращения подачи воздуха по окончании его;

- трубопроводы, объединяющие элементы системы;

- пусковой воздухораспределитель - обеспечивает подачу сжатого воздуха к пусковым клапанам в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя;

- пусковые клапаны цилиндров - применяются для подачи сжатого воздуха непосредственно в цилиндры двигателя.

Алгоритм запуска двигатель-генераторных установок с использованием энергии сжатого воздуха следующий:

- в цилиндры двигателя через пусковые клапаны подается сжатый воздух из специальных емкостей для его хранения;

- за счет энергии пускового воздуха поршень в цилиндре перемещается вниз, при этом коленчатый вал начинает проворачиваться;

- далее операция повторяется для следующего цилиндра в соответствии с порядком их работы;

- при достижении частоты вращения коленчатого вала достаточной для включения топливных насосов происходит впрыск топлива в цилиндры двигателя;

- через небольшой интервал времени после включения топливных насосов управляющий воздух стравливается в атмосферу, пусковые клапаны закрываются. Также стравливается воздух из трубопроводов системы запуска.

Данный тип системы запуска двигатель-генераторной установки применялся на тепловозах ТЭ136, 2ТЭ136 и 2ТЭ126, которые производились ПО «Ворошиловградтепловоз».

Одной из отличительных особенностей данных локомотивов являлось использование в качестве силовой установки дизель-генератора типа 1-20ДГ, состоящего из дизеля 1-1Д49 и тягового агрегата А-716.

Основные параметры дизельного двигателя типа 1-1Д49 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные параметры двигателя 1-1Д49

Наименование параметра Значение

Тип 1-1Д49

Полная мощность, кВт (л. с.) 4410 (6000)

Номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин 1000

Продолжение таблицы 1.1

Наименование параметра Значение

Турбонаддув Двухступенчатый с двойным охлаждением наддувочного воздуха

Удельный расход топлива на полной мощности, г/(кВт*ч) 210+11

Масса двигателя, кг 24 500

Двадцатицилиндровые модификации дизельных двигателей типа Д49 являлись наиболее форсированными и мощными тепловозными двигателями, выпускавшимися отечественной промышленностью [6].

Запуск двигатель-генератора осуществлялся сжатым воздухом давлением до 90 кг/см2, который хранился в специальных баллонах на тепловозе. Сжатие воздуха производилось вспомогательным компрессором, имеющим электрический привод [7]. В крышках одного ряда цилиндров устанавливались пусковые клапаны, на лотке - десять пусковых золотников, через которые воздух подавался в цилиндры. При запуске пусковые золотники управлялись кулачками, размещенными на распределительном вале двигателя.

На рисунке 1.3 приведен общий вид тепловоза 2ТЭ126, оборудованного системой пневматического запуска.

На рисунке 1.4 приведено размещение оборудования тепловоза 2ТЭ126 и ТЭ136, в том числе указаны баллоны для хранения сжатого воздуха и вспомогательный пусковой компрессор.

Рисунок 1.4 - Размещение оборудования на тепловозах 2ТЭ126 и ТЭ136

Эксплуатация пневматической системы запуска двигателей выявила ряд недостатков:

- повышенные требования к качеству сжатого воздуха. При низких температурах окружающей среды и высокой влажности воздуха возможно замерзание системы запуска. Для надежной работы необходимы дополнительные устройства осушки воздуха, а также его очистки от механических примесей для недопущения засорения клапанов и воздухораспределителя;

- большой расход воздуха при запуске двигателя;

- повышенные эксплуатационные требования. Возможны утечки сжатого воздуха при нарушении герметичности системы, в связи с чем требуется периодический контроль трубопроводов и баллонов;

- относительное большое время создания необходимого давления сжатия в баллонах после неудачной попытки запуска двигателя;

- в целом низкий уровень надежности системы.

В качестве достоинств данной системы можно отнести высокую частоту раскрутки коленчатого вала двигателя при запуске, а также большой крутящий момент.

Основные области, в которых широко используются пневматические системы, следующие:

- запуск двигателей малой мощности (лодочные моторы);

- запуск двигателей автомобилей (легковых и грузовых), тракторов и прочей специальной техники;

- запуск двигателей военной техники (танки, самоходные машины и др.);

- запуск вспомогательных и основных судовых двигателей (речной и морской транспорт);

- запуск силовых установок летательных аппаратов.

Широкого распространения на железнодорожном транспорте пневматическая система запуска двигателей не получила.

1.1.2 Гидравлическая система запуска двигателей

Гидравлическая система запуска двигателей - это система, которая обеспечивает раскрутку коленчатого вала двигателя за счет использования энергии давления рабочей жидкости, которой чаще всего является масло [8]. Гидравлическая жидкость хранится в гидропневматических аккумуляторах под давлением до 200 кг/см . В процессе запуска двигателя кинетическая энергия жидкости, высвобождаемая из аккумулятора, преобразуется в механическую на валу гидростартера, который посредством шестерни соединяется с коленчатым валом двигателя.

В состав гидравлической системы запуска входят следующие основные элементы [9, 10]:

- резервуар для хранения гидравлической жидкости;

- гидроаккумулятор, в котором рабочая жидкость находится под высоким давлением;

- насос, который создает высокое давление жидкости в гидроаккумуляторе. Применяются ручные насосы, насосы с приводом от двигателя, электрические насосы, а также системы, работающие на сжатом воздухе (пневматические насосы);

- регулирующий клапан, через который рабочая жидкость подается на вход гидростартера при запуске. Клапан может иметь ручное управление или автоматическое;

- клапан «мягкого» пуска, который применяется для снижения ударных нагрузок на шестерню сопряжения двигателя и гидростарера и защиты от механических повреждений зубчатого венца двигателя за счет постепенного повышения давления на входе гидростартера и более плавной раскрутки коленчатого вала двигателя (дополнительный элемент системы);

- фильтр системы низкого давления, который применяется для очистки рабочей жидкости, поступающей из резервуара к насосу, от грязи и примесей;

- фильтр системы высокого давления, используемый для глубокой очистки гидравлической жидкости, поступающей из гидроаккумулятора на вход гидростартера;

- трубопроводы, соединяющие основные элементы системы;

- клапан блокировки запуска (устанавливается дополнительно для защиты от запуска двигателя при вращающемся коленчатом вале).

На рисунке 1.5 приведен общий вид основных элементов гидравлической системы запуска с ручным нагнетающим насосом.

Рисунок 1.5 - Основные элементы гидравлической системы запуска двигателя

Основными преимуществами гидравлической системы запуска являются:

- большая мощность и крутящий момент, развиваемые гидравлическими стартерами, по сравнению с пневматическими и электрическими;

- меньшее время раскрутки коленчатого вала двигателя для создания необходимой компрессии для воспламенения топливовоздушной смеси;

- способность обеспечить запуск двигателя из полностью обесточенного состояния системы с помощью ручного насоса (режим «Black start» - «Холодный пуск»);

- замкнутость системы, что повышает ее надежность и обеспечивает устойчивость к угольной пыли, коррозионному соляному туману;

- надежное функционирование при тяжелых климатических условиях, в том числе при температурах окружающего воздуха ниже минус 40 °С, высокой влажности, больших перепадах температур;

- низкие эксплуатационные расходы, по сравнению с другими системами запуска, за счет сокращения объема технического обслуживания;

- возможность быстрого повторного запуска;

- отсутствие электрических элементов, что обеспечивает взрывозащищенность системы запуска.

К основным недостаткам гидравлической системы запуска можно отнести следующие:

- сложность изготовления гидростартеров и гидромоторов;

- снижение удельной массы системы запуска только при запуске двигателей небольшой мощности.

Гидравлическая система запуска нашла применение в следующих сферах:

- быстрый запуск дизель-генераторных установок резервного или аварийного питания объектов критической инфраструктуры (атомные электростанции, больницы, промышленные предприятия непрерывного цикла, военная инфраструктура);

- пожарные системы - насосы, спринклерные системы;

- горное дело - специальная техника (тракторы, погрузчики, грейдеры, транспортеры и т.д.)

- морской транспорт - морские суда, спасательные шлюпки;

- запуск газотурбинных двигателей летательных аппаратов;

- морские платформы - резервные источники питания, пожарные системы.

В отечественном локомотивостроении, несмотря на ряд существенных

достоинств, гидравлические системы запуска двигателей не нашли своего применения.

1.1.3 Электрические системы запуска двигателей

Электрическая система запуска двигателя - это система, в которой раскрутка коленчатого вала двигателя осуществляется электрическими машинами, работающими в двигательном режиме и питающимися от бортовых накопителей энергии транспортных средств. В большинстве случаев в качестве бортового накопителя энергии применяется аккумуляторная батарея (далее - АБ).

Данная система нашла наиболее широкое распространение для запуска двигателей, в том числе двигатель-генераторных установок железнодорожного транспорта.

1.1.3.1 Электрические системы запуска отечественных двигателей

автономных локомотивов

К основным типам электрических систем запуска отечественных двигателей, эксплуатируемых в настоящее время на автономных локомотивах, следует отнести системы с применением:

- генератора постоянного тока;

- стартер-генератора;

- стартера;

- дополнительных источников питания.

На локомотивах с электрической передачей постоянного тока для запуска силовой установки используется тяговый генератор, который работает в режиме электродвигателя и питается от АБ. Возбуждение тягового генератора, работающего в двигательном режиме при запуске, реализуется специально уложенной на главных полюсах пусковой обмоткой последовательного возбуждения. Такая схема запуска двигателя применялась на тепловозах ТЭП60, М62(У), 2(3)М62(У), ТЭ10, 2ТЭ10, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2(3)ТЭ10М, 4ТЭ10С, 2ТЭ10МК, 2(3)ТЭ10У, ТЭМ2 различных модификаций и др. [11]

На рисунке 1.6 приведена упрощенная схема системы запуска двигателя маневрового тепловоза М62 от тягового генератора.

Д1

Рисунок 1.6 - Упрощенная схема запуска двигателя тепловоза М62 При запуске двигателя включаются пусковые контакторы Д1 и Д2, в результате чего якорь тягового генератора ТГ последовательно с пусковой обмоткой П подключается к АБ. После подключения якорной цепи генератора к АБ сила тока при неподвижном якоре достигает максимальной величины, магнитная система машины насыщается; вращающий момент, пропорциональный силе якорного тока и магнитному потоку полюсов, приводит в движение якорь тягового генератора соединенный через соединительную муфту с коленчатым валом двигателя [12]. По мере раскручивания якоря, протекающий ток снижается. После запуска силовой установки тепловоза пусковая электрическая схема разбирается, и двигатель переходит в циклический режим работы. При этом включается контактор возбуждения КВ и независимая обмотка возбуждения Н1-Н2 генератора подключается к возбудителю В, вырабатываемое напряжение

ТГ поступает к тяговым электродвигателям ТЭД через поездные контакторы (на схеме не показаны).

Осциллограммы тока АБ и напряжения на ее зажимах при запуске двигателя тепловоза ТЭМ2 от тягового генератора приведены на рисунках 1.7 и 1.8 [13].

Рисунок 1.7 - Осциллограмма тока, потребляемого от АБ при запуске тепловоза ТЭМ2

11а б, В

60

50 40 30

20

10

0,5

1.5

2,5

3,5

4,5

5,5

с

Рисунок 1.8 - Осциллограмма напряжения на АБ при запуске тепловоза ТЭМ2

Достоинствами данной системы запуска являются простота ее конструкции, отсутствие необходимости устанавливать дополнительные электрические устройства для запуска.

Недостатками являются:

- высокая скорость нарастания потребляемого тока при запуске двигателя вследствие прямого подключения тягового генератора к АБ (рисунок 1.7);

- большое падение напряжения на клеммах АБ (рисунок 1.8);

- невозможность запуска двигателя при разряженной АБ или снижении ее емкости при длительной эксплуатации;

- повышенный износ АБ.

У подавляющего большинства локомотивов с электрической передачей переменно-постоянного и переменно-переменного тока запуск силовой установки осуществляется с использованием стартер-генератора (далее - СтГ).

СтГ - это электрическая машина постоянного тока, предназначенная для работы в двух режимах:

- стартерном (кратковременном) - в качестве электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, осуществляющего раскрутку коленчатого вала дизеля во время пуска;

- генераторном (продолжительном) - в качестве вспомогательного генератора постоянного тока независимого возбуждения, обеспечивающего питание электрических цепей управления, электродвигателей постоянного тока собственных нужд, цепей освещения и заряда АБ.

Такая схема запуска двигателя применялась и применяется на тепловозах ТЭП70, ЭП70У, ТЭП70БС, 2ТЭ70, 2ТЭ116 различных модификаций, 2ТЭ121, ТЭМ7, 2ТЭ25КМ, 2ТЭ25А, локомотивах с гидропередачей ТГМ4А(Б), ТГМ6А, ТГМ23, ТГМК2.

На рисунке 1.9 приведена упрощенная схема стартер-генераторной системы запуска двигателя двухсекционного тепловоза 2ТЭ116.

Д1

---о

с

к «-АБ» другой секции

Рисунок 1.9 - Упрощенная схема запуска двигателя тепловоза 2ТЭ116

При запуске двигателя включается контактор Д1, который объединяет батареи обеих секций тепловоза с целью увеличения их общей емкости на период пуска. Кроме того, контактор Д1 своим размыкающим контактом исключает включение контактора регулятора напряжения КРН. Для обеспечения подключения СтГ к объединенным АБ используется контактор Д2. После включения контактора Д2 СтГ начинает работать в режиме электродвигателя последовательного возбуждения и обеспечивает раскрутку коленчатого вала двигателя [14]. После запуска дизеля электрическая схема пуска разбирается.

На рисунках 1.10 и 1.11 приведены осциллограммы запуска дизельного двигателя тепловоза ТЭП70БС, оборудованного СтГ [15].

1аб, А

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

1801

О -

К С

Рисунок 1.10 - Осциллограмма тока, потребляемого от АБ

Баб, В 120

100

80

60 ■■

40

1 97,6

52,4

01234567

с

Рисунок 1.11 - Осциллограмма напряжения на АБ

Достоинствами описанной выше системы запуска являются относительно высокое быстродействие, управляемость.

Стартер-генераторная система запуска имеет те же недостатки, что и система пуска от тягового генератора. Кроме того, к дополнительным недостаткам можно отнести следующее:

- сложность изготовления и высокую стоимость СтГ;

- необходимость периодического технического обслуживания системы запуска в течение всего жизненного цикла;

- наличие механической связи СтГ и двигатель-генераторной установки посредством привода распределительного вала двигателя, что снижает надежность системы.

На тепловозах и дизель-поездах с механической, гидромеханической и гидравлической передачами (поезда Д, Д1; тепловозы ТГМ3, ТГМ4(А/Б), ТГМ6(А), ТГМ23 и др.) раскрутка коленчатого вала двигателя осуществляется специально предназначенной для этого машиной - электростартером (далее -ЭС), соединенным с коленчатым валом управляемой муфтой, которая выключается после пуска дизеля [16, 17, 18, 19].

Схема электростартерного запуска существенным образом связана с конструкцией муфты. На рисунке 1.12 приведена упрощенная принципиальная схема электростартерной системы запуска двигателя тепловоза ТГМ6А.

ЭС

им гу-уу-ч '|12

КП2.2

КП1.2

«+» о-

Рисунок 1.12 - Упрощенная схема запуска двигателя тепловоза ТГМ6А

При запуске двигателя после включения пускового контактора КД1 (катушка контактора на схеме не показана) его силовой контакт КД1.1 подает питание на тяговый электромагнит ЭМ1.1, а блок-контакт КД1.2 собирает цепь катушки контактора КП1.1. После замыкания контакта КП1.2 собирается цепь ЭС через катушку его тягового электромагнита ЭМ1.1; якорь последнего смещает хвостовик и вводит его шестерню в зацепление с зубчатым венцом маховика коленчатого вала двигателя. При совпадении зубьев шестерни хвостовика с впадинами зубчатого венца маховика происходит их зацепление. После надежного зацепления замыкается блок-контакт тягового электромагнита ЭМ1.2, подключается цепь катушки контактора КП2.1, замыкающий контакт КП2.2 которого шунтирует катушку ЭМ1.1, после чего сила тока в ней падает практически до нуля, и возвратная пружина якоря возвращает его в исходное положение. При этом разрыва цепи катушки КП2.1 не произойдет, так как замыкающий контакт КП2.3 шунтирует контакт ЭМ1.2.

В результате всех коммутаций происходит прямое подключение ЭС к АБ, его вал начинает вращаться, а вместе с ним и коленчатый вал двигателя. После запуска двигателя происходит автоматическое расцепление шестерни ЭС с зубчатым венцом маховика дизеля.

Необходимость в управляемой муфте обуславливается тем, что после развития коленчатым валом двигателя частоты вращения холостого хода якорь ЭС развивал бы недопустимо высокую частоту вращения, что приводило бы к его повреждению (разбандажировке) [20].

Основные недостатки вышеописанной схемы запуска те же, что и у описанной выше стартер-генераторной системы запуска.

В результате анализа особенностей функционирования рассмотренных выше схем запуска выявлен ряд существенных недостатков, который значительно влияет на надежность их работы, в связи с чем для облегчения процесса запуска двигателя вышеуказанные системы оборудуют дополнительными устройствами.

На тепловозах с системой запуска двигателя от тягового генератора устанавливаются электропневматические ускорители пуска дизеля, которые

перемещают рейки топливных насосов в положение наибольшей подачи топлива, что способствует сокращению времени запуска. Такое же техническое решение применяется и на некоторых тепловозах со стартер-генераторной схемой пуска, в частности, на тепловозах 2ТЭ116. Данный способ применяется на силовых установках, не оборудованных электронными системами управления впрыском топлива, и позволяют сократить только время запуска. При этом значение пускового тока, потребляемого от АБ, не ограничивается.

С целью увеличения ресурса АБ в различных системах пуска двигателей устанавливаются дополнительные накопители энергии.

В работе [21] предлагается на тепловозе ТЭМ2 параллельно со штатной батареей включать в схему запуска двигателя емкостной накопитель энергии на базе конденсаторов с двойным электрическим слоем. Дополнительно электрическая схема тепловоза оборудуется цепями заряда накопителя с элементами управления и индикации, диода, шунтирующего зарядные цепи при разрядке накопителя, и разрядного резистора.

Упрощенная схема вышеуказанной системы приведена на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - Система запуска двигателя тепловоза ТЭМ2 с конденсаторным накопителем

энергии

Перед запуском двигателя АБ 1 подключается посредством рубильника 2 к бортовой сети тепловоза. При запуске силовой установки локомотива машинисту необходимо замкнуть выключатель 11 и нажать кнопку 10 для начала заряда накопителя энергии 6 через тиристор 7 и резистор 8, ограничивающий ток,

протекающий через накопитель. Резистор 15 ограничивает ток, протекающий через управляющий электрод тиристора 7. Зарядка накопителя энергии составляет 10-15 секунд и происходит во время прокачки масла через двигатель. Для оповещения машиниста о завершении процесса зарядки в схему запуска включена схема индикации 12,13.

После завершения стандартных предпусковых процедур (прокачка масла и проверка сборки электрической схемы) происходит штатный запуск двигателя посредством включения пусковых контакторов. Замыкающие контакты 4 и 5 пусковых контакторов подключают накопитель энергии 6, включенный параллельно АБ 1, к тяговому генератору 3 через диод 9. После запуска силовой установки локомотива машинист отключает выключатель 11, в результате чего происходит разряд накопителя на специально предусмотренный резистор 14.

В результате применения описанного выше технического решения в 1,5-2 раза уменьшается максимальное значение пикового пускового тока АБ, что способствует увеличению срока ее службы. Также применение дополнительного накопителя энергии может обеспечить запуск двигателя при снижении емкости АБ (до 20 % от номинального значения) вследствие негативных условий ее эксплуатации [22].

Описанная в работе [23] система запуска двигателей тепловозов также предполагает параллельное включение накопителя энергии к АБ, однако подключение зарядных цепей и отключение цепей накопителя энергии осуществляется дополнительным контактором и реле, что позволяет исключить из схемы запуска тиристор и ручной выключатель.

Отсутствие в схеме запуска тиристора позволяет исключить возможность его самопроизвольного открытия вследствие воздействия электромагнитных помех. Замена ручного выключателя на релейно-контакторную аппаратуру дает возможность автоматизации процесса запуска двигателя, а также защищает от человеческого фактора - после запуска накопитель энергии будет отключен соответствующим реле от схемы зарядки АБ, которое обеспечивает его защиту от перезаряда и, соответственно, продлевает срок службы накопителя.

Более совершенная схема системы запуска с применением накопителя энергии приведена в работе [24]. Главное отличие от описанных выше технических решений заключается в наличии блоков для заряда накопителя в автоматическом режиме после запуска двигателя тепловоза. Предлагаемая схема включает в себя управляемый выпрямитель, на вход которого поступает напряжение от зарядного генератора, блок управления выпрямителем, датчики тока и напряжения для мониторинга параметров накопителя.

Развитием технического решения по применению дополнительных накопителей энергии совместно со штатных АБ являются двухступенчатые схемы запуска, где на первом этапе потребление энергии идет от накопителя энергии, а на втором - от АБ [25, 26]. Данный метод является более эффективным, так снижает ударную нагрузку на батарею на начальном этапе пуска двигателя. Однако дополнительные накопители увеличивают конечную стоимость системы запуска двигателя, требуют периодического технического обслуживания и имеют относительно небольшой срок службы.

На рисунке 1.14 представлена упрощенная схема двухступенчатого пуска двигателя тепловоза ТЭМ2 (цепи заряда и коммутации накопителя не показаны).

Рисунок 1.14 - Упрощенная схема двухступенчатого запуска двигателя Накопитель энергии БК на базе конденсаторов двойного электрического слоя предварительно заряжается от АБ в процессе подготовки к запуску двигателя (прокачке масла масляным давлением до заданного давления и пр.). При включении автоматического выключателя SF1 происходит начальная

раскрутка коленчатого вала двигателя, при этом тяговый генератор ТГ, который работает в качестве двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, получает питание от предварительно заряженного накопителя энергии БК. В таком режиме пик пускового тока приходится на накопитель энергии. По мере разряда БК снижается напряжение на его зажимах. При достижении напряжения перехода с БК на АБ происходит срабатывание реле напряжения КМ1.1, которое своими контактами КМ1.2 подключает АБ. Вследствие того, что напряжение накопителя энергии ниже напряжения АБ диод закроется, а питание ТГ продолжится от АБ. При этом ток, потребляемый от АБ, будет значительно меньше в силу того, что уже вращающийся якорь ТГ будет вырабатывать противоЭДС, пропорциональную скорости его вращения. Питание ТГ от АБ осуществляется до завершения процесса пуска [27].

Осциллограмма пускового тока с маневрового тепловоза ТЭМ2, оборудованного двухступенчатой системой запуска двигателя, приведена на рисунке 1.15 [27].

I. А. 1400

1200

1000

800

600

400

200

О

О 0.5 1 1 5 2 2.5

П в

Рисунок 1.15 - Пусковой ток двухступенчатой системы запуска двигателя тепловоза ТЭМ2 Описанные выше технические решения, связанные с применением дополнительного накопителя энергии, позволяют более рационально использовать энергию штатной АБ, обеспечить запуск двигателя при частично разряженной батарее или при снижении ее емкости, однако требуют установки дополнительного оборудования и лишь частично решают проблему ударных

пусковых токов. Кроме того, не исключается механическая связь устройства предварительной раскрутки и двигателя для стартер-генераторных систем запуска силовых установок локомотивов.

На сегодняшний день реализовано большое количество различных вариантов пуска двигателя с применением дополнительного накопителя энергии, однако широкого внедрения данных систем не произошло.

Наиболее прогрессивным вариантом электрической системы запуска силовых установок, реализованной в настоящий момент, является техническое решение, примененное на маневровом тепловозе ТЭМ23 производства АО «УК «БМЗ».

Тепловоз ТЭМ23 имеет ряд конструктивных особенностей:

- модульную конструкцию (компоновка содержит модули главной рамы, пневматического оборудования, силовых установок, холодильной камеры, электрооборудования, кабины, вспомогательный модуль, тележки);

- распределенную систему управления;

- двухдвигательную силовую установку на базе двух транспортных дизельных двигателей производства ПАО «КАМАЗ» мощностью 368 или 309 кВт каждый (в зависимости от требований заказчика);

- два синхронных генератора с возбуждением от постоянных магнитов и жидкостной системой охлаждения;

- асинхронные тяговые электродвигателя, питающиеся от инверторов напряжения. Модули инвертора МИ-300 (производства НПО «Горизонт»), являющиеся активными выпрямителями, обеспечивают преобразование трёхфазного напряжения тягового генератора в постоянное напряжение промежуточного контура и стабилизацию данного напряжения в заданном диапазоне отклонений независимо от частоты вращения ротора тягового генератора и, соответственно, от оборотов дизельного двигателя;

- инверторный запуск дизельных двигателей. При запуске дизеля МИ-300 в режиме инвертора обеспечивает работу тягового генератора в двигательном режиме для раскрутки коленчатого вала дизеля, получая энергию от АБ.

На рисунке 1.16 приведена упрощенная схема электрической системы запуска двигателя маневрового тепловоза ТЭМ23 на базе инверторов МИ-300 [28, 29].

Рисунок 1.16 - Упрощенная схема электрической системы запуска двигателя тепловоза ТЭМ23

При поступлении команды на запуск двигателя микропроцессорная система управления тепловоза подключает АБ к промежуточному контуру инвертора МИ-300 посредством контакторов К1 и КЗ (цепи управления на рисунке 1.16 не показаны). Зарядка конденсаторов, входящих в состав инвертора, осуществляется через токоограничивающие резисторы R2 и R3. При достижении напряжения в промежуточном контуре значения напряжения на АБ токоограничивающие резисторы шунтируются контактором К2. Далее начинается управление силовыми модулями инвертора, подключенного к обмотке синхронного генератора на постоянных магнитах ТГ. Вращающий момент ТГ, работающего в двигательном режиме при запуске, передается через муфту коленчатому валу дизеля Д. После достижения двигателем минимально устойчивых оборотов микропроцессорная система управления тепловоза отключает промежуточный контур от АБ посредством К1 и КЗ. Для разделения цепей промежуточного контура и АК в процессе раскрутки коленчатого вала двигателя установлен диод ¥02. После запуска двигателя АБ заряжается модулями питания бортовой сети МПБС через резистор R1 и диод заряда батареи ¥01.

На сегодняшний день построено 4 тепловоза ТЭМ23 (данные на июнь 2024 года), закончены работы по их сертификации.

К недостаткам описанной выше системы следует отнести:

- наличие датчиков положения и частоты вращения ротора тягового генератора, которые исходя из опыта эксплуатации других серий локомотивов, периодически выходят из строя или могут формировать некорректные показания вследствие их неправильной установки;

- необходимость тарировки датчиков положения ротора при их монтаже, замене или замене синхронного генератора. Информация о каждом датчике сохраняется в памяти блока управления инвертора;

- невозможность запуска двигателя при пониженном напряжении аккумуляторной батареи;

- обеспечение запуска только двигателей небольшой мощности.

Также следует отметить, что процесс запуска мощных тепловозных двигателей значительно отличается от пуска автомобильных агрегатов, имеющих сравнительно небольшой рабочий объем, массу и инерционность [30]. Момент сопротивления прокручиванию тепловозных двигателей намного выше, кроме того, АБ локомотива сильно нагружена потребителями (различные преобразователи, вспомогательные нагрузки, компрессор и т.д.), что также сказывается на эффективности запуска силовой установки. В связи с вышеуказанным область применения инверторной системы запуска тепловоза ТЭМ23 сильно ограничена.

На сегодняшний день вследствие небольшого опыта эксплуатации данных локомотивов, а также незначительным эксплуатируемым парком (4 единицы), объективная информация о надежности и эффективности их системы запуска отсутствует.

1.1.3.2 Электрические системы запуска иностранных двигателей автономных

локомотивов

До 2021 года в Российской Федерации на рынке дизельных двигателей различной мощности, применяемых на различных видах транспорта

(автомобильный, железнодорожный, морской, речной, специальная техника), реализовывались совместные проекты с такими иностранными производителями как «MTU» (Германия), «GE Transportation Systems», «Cummins», «Caterpillar» (все - США).

Одним из направлений по использованию силовых установок иностранного производства является глубокая модернизация тепловозов серии 2ТЭ10М(У) по заказу ОАО «АК «Железные дороги Якутии». Результатом реализации проекта стал локомотив, получивший наименование 2ТЭ10МПСЕ (существует другие обозначения модернизированного локомотива - 2ТЭ10МД, 2ТЭ10УД, 2ТЭ10ВК). Тепловоз имеет модульную конструкцию капотного типа, силовой модуль «Super Skid» производства «GE», в состав которого входят:

- дизельный двигатель 7FDL12;

- тяговый генератор 5GTA11C9;

- выпрямительная установка 17FM548;

- компрессор «Gardener-Denver» WLNC9X;

- вспомогательный генератор 5GY27L2;

- возбудитель 5GY27M2;

- микропроцессорная система регулирования, управления и диагностики «Bright Star Sinus» [31].

Силовая установка данного локомотива имеет электрическую систему запуска от АБ с использованием вспомогательного генератора и возбудителя в качестве пусковых машин.

На рисунке 1.17 приведена упрощенная схема электрической системы запуска двигателя тепловоза 2ТЭ10МПGE.

После нажатия кнопки пуска дизеля SB2 получают питание катушки контакторов К2.1 вспомогательного генератора ВГ и К3.1 возбудителя В, которые своими контактами К2.2 и К3.2 подключают к АБ электрические машины. Возбудитель и вспомогательный генератор работают в двигательном режиме и проворачивают коленчатый вал дизеля Д через распределительный редуктор, при

этом электронный регулятор дизеля управляет подачей топлива в цилиндры двигателя.

Рисунок 1.17 - Упрощенная схема электрической системы запуска двигателя тепловоза

2ТЭ10МТОЕ

Компания «MTU» для запуска большинства своих двигателей применяет электрическую систему запуска с использованием электростартеров с напряжением питания «24 В». Для запуска мощных дизельных двигателей могут устанавливаться два электростартера.

В 2013-2014г.г. ОАО «РЖД» было реализовано несколько совместных проектов по проектированию и выпуску магистральных тепловозов, оборудованных силовыми установками «MTU».

АО «УК «БМЗ» был изготовлен тепловоз 2ТЭ25АМ с асинхронным приводом и силовой установкой «MTU» 20V 4000 R43 мощностью 2700 кВт. Двигатель «MTU» поставлялся в комплекте с дополнительным электрооборудованием :

- электростартерной системой запуска с питанием от батареи суперконденсаторов;

- DC/DC-преобразователями Converter 2 и Converter 3, формирующими бортовую сеть питания напряжением 24 В, с входными фильтрами Filter 2 и Filter 3;

- блоком управления двигателем ECU;

- модулем системы автоматизации PAU;

- блоком возбуждения тягового и вспомогательного генераторов ТА (на схеме не показан);

- преобразователем бортовой сети «110 В» (на схеме не показан). Электростартерная система запуска включает в себя следующие основные

узлы:

- батарею суперконденсаторов Ultracap 1 - Ultracap 5 (5 штук емкостью 214 Ф каждый), от которой получают питание ЭС;

- два ЭС М1 и М2 с напряжением питания «24 В»;

- силовой выходной модуль POM - управляет включением стартеров, формирует их напряжение питания, выполняет защитные функции;

- DC/DC-преобразователь зарядки суперконденсаторов Converter 1 с входным фильтром Filter 1.

На рисунке 1.18 приведена функциональная схема системы запуска двигателя «MTU» тепловоза 2ТЭ25АМ [32, 33, 34].

РОМ

Рисунок 1.18 - Функциональная схема системы запуска двигателя «MTU» тепловоза 2ТЭ25АМ При нажатии кнопки «Пуск дизеля» на пульте управления тепловоза микропроцессорная система управления тепловоза МСУ включает реле пуска

дизеля, которое своими замыкающими контактами КЗ подает сигнал «Запуск» модулю системы автоматики дизеля PAU (кнопка и катушка реле на схеме не показаны). Если все необходимые условия для запуска двигателя выполняются, блок управления двигателя ECU дает команду силовому выходному модулю POM, который включает контакторы питания ЭС К1.1 и К2.1. Стартеры М1 и М2 получают питание от батареи суперконденсаторов и раскручивают коленчатый вал двигателя; блок ECU управляет подачей топлива и контролирует частоту вращения коленчатого вала. После успешного запуска двигателя происходит отключение ЭС.

Для обмена данными между блоками ECU, PAU, МСУ, а также между DC/DC преобразователями Converter 2 и Converter 3, преобразователем зарядки Converter 1 и суперконденсаторами Ultracap 1 - Ultracap 5 используются независимые последовательные каналы связи CAN.

Преимуществами данной схемы запуска двигателя являются:

- отсутствие ударной нагрузки на штатную АБ при подаче питания на ЭС. Перед запуском силовой установки производится заряд батареи суперконденсаторов через DC/DC-преобразователь, при этом ток заряда, потребляемый от штатной батареи, ограничивается значением 50 А. Для раскрутки коленчатого вала двигателя в процессе его запуска используется энергия, накопленная суперконденсаторами;

- увеличение ресурса штатной АБ за счет рационального использования ее энергии и ограничения тока заряда пусковых конденсаторов.

Однако имеется и ряд существенных недостатков:

- необходимость установки дополнительных суперконденсаторов, имеющих большую стоимость, ограниченный ресурс, высокие требования к качеству технического обслуживания;

- необходимость установки дополнительного DC/DC-преобразователя для плавной зарядки суперконденсаторов и контроля их состояния;

- требуется установка дополнительного силового модуля для питания и контроля состояния ЭС;

- необходима предварительная зарядка суперконденсаторов от АБ. После нескольких неудачных попыток запуска двигателя, а также при длительных простоях локомотива с незапущенной силовой установкой требуется зарядка АБ от внешнего источника;

- отсутствие технической поддержки со стороны производителя дизельного двигателя и его системы запуска;

- невозможность приобретения запасных частей для дизельного двигателя и его системы запуска.

Эксплуатация тепловоза 2ТЭ25АМ показала низкую надежность его систем, в том числе и оборудования запуска двигателя. Вследствие разрыва договорных отношений с компанией «MTU» техническое обслуживание и ремонт дизельного двигателя и комплекта электрооборудования было прекращено, в результате чего локомотивы данной серии выведены из эксплуатации.

Одним из реализованных совместных проектов ОАО «РЖД» и компании «GE» является проект тепловоза 2ТЭ116УД с применением усовершенствованного дизельного двигателя GEVO V12 мощностью 3100 кВт. Тепловозы данной модификации выпускал ПАО «Лугансктепловоз» с 2012 по 2015 годы [35].

Силовая установка тепловоза 2ТЭ116УД имеет оригинальную электрическую систему запуска с применением тиристорного пускового инвертора, который питает синхронный тяговый генератор, работающий в двигательном режиме при запуске двигателя.

В состав системы запуска входят следующие основные узлы:

- электронная система управления запуском и работой двигателя;

- контроллер пуска дизеля DTC;

- модулятор высокого напряжения HWM;

- тиристорные панели TP1 — TP4, состоящие из тиристоров VS1 — VS8. Три панели (ТР1 — ТР3) используются для питания статорной обмотки синхронного тягового генератора переменным трехфазным напряжением, одна (ТР4) - для коммутации тиристоров;

- коммутирующий конденсатор большой емкости C1;

- разрядный резистор коммутирующего конденсатора R1;

- дроссель LS1 - применяется для уменьшения скорости нарастания тока в момент подключения тягового генератора к пусковому инвертору в момент запуска двигателя;

- пусковые резисторы R2, R4 - ограничивают ток, протекающий через обмотку статора тягового генератора при запуске двигателя;

- резистор R3 - обеспечивает ток удержания тиристоров при запуске двигателя;

- пусковые контакторы КМ1 — КМ6 для коммутации цепей запуска;

- ограничитель напряжения VD1 на дросселе LS1 - обеспечивает защиту реактора от превышения напряжения [36, 37].

Упрощенная схема системы запуска двигателя тепловоза 2ТЭ116УД приведена на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 - Упрощенная схема системы запуска двигателя тепловоза 2ТЭ116УД

На рисунке 1.20 приведена функциональная схема электронной системы запуска и управления двигателя GEVO ¥12.

Данная схема включает в себя следующие основные блоки:

- источник питания А1, формирующий питающие напряжения для блоков системы управления двигателем;

- интеллектуальный дисплей А2, который отображает диагностическую информацию о работе системы;

- сетевой коммутатор А3;

- контроллер ввода/вывода А4;

- сетевой фильтр А5, который обеспечивает фильтрацию входного напряжения для источника питания А6 контроллера пуска дизеля А7;

- электронный блок управления двигателем А8;

- модулятор высокого напряжения А9.

Рисунок 1.20 - Функциональная схема электронной системы запуска и управления двигателя

GEVO V12

При нажатии кнопки «Пуск дизеля» на пульте управления машиниста подается напряжение на катушку реле пуска дизеля (на функциональной схеме не показано), которое своими замыкающими контактами подает сигнал контроллеру ввода/вывода А4. Блок А4 оповещает через коммуникационную сеть Arcnet контроллер пуска дизеля А7 и блок управления двигателем А8 о начале процедуры запуска двигателя. Блоки электронной системы запуска и управления двигателя выполняют предпусковую прокачку дизеля маслом. В случае соблюдения условий для запуска двигателя контроллер пуска дизеля включает через промежуточное реле контактор объединения АБ КМ1, пусковые контакторы КМ2 — КМ6, реле К1. Контактор КМ2 подключает к АБ тиристорные панели ТР1 — ТР4 и коммутирующий конденсатор С1. Контакторы КМ3, КМ5 коммутируют пусковые резисторы в цепь обмотки статора тягового генератора; контакторы КМ4, КМ6 подключают обмотку возбуждения к АБ, реле К1 подключает резистор R3. Далее начинается процесс запуска двигателя:

- посредством переключения в определенной последовательности тиристоров VS1 — VS6, установленных в цепи статорной обмотки тягового генератора, и коммутирующих тиристоров VS7, VS8 заряжается конденсатор С1. При этом проверяется работоспособность всех тиристоров и исправность коммутирующего конденсатора. Управляющие импульсы формируются контроллером пуска дизеля А7;

- при достижении напряжения на конденсаторе требуемого для запуска значения отключаются контакторы КМ3, КМ5 и включаются тиристоры VS7, VS8. При этом контролируются фазные напряжения для определения текущего положения ротора генератора. Сигналы с генератора через модулятор высокого напряжения А9 поступают на входы контроллера пуска дизеля А7;

- после определения текущего положения ротора тягового генератора включается контактор КМ3 и начинается процесс раскрутки коленчатого вала дизеля. Посредством переключения тиристоров VS1 — VS6 формируется переменное напряжение, которое подается на статорную обмотку тягового генератора, при этом их принудительная коммутация выполняется подключением

конденсатора С1 тиристорами VS7, VS8. Увеличивая частоту переключения тиристоров, регулируется частота вращения ротора генератора. Блок управления двигателем А8 управляет подачей топлива в цилиндры, а также измеряет частоту вращения коленчатого вала;

- с увеличением частоты вращения ротора генератора вследствие противоЭДС начинает снижаться ток, протекающий через статорную обмотку и создаваемый крутящий момент. Для сохранения крутящего момента через 3 секунды после начала раскрутки коленчатого вала включается контактор КМ5, шунтирующий пусковой резистор R4. При этом происходит увеличение тока, протекающего через статорную обмотку синхронного генератора, и процесс прокрутки продолжается;

- при достижении частоты вращения коленчатого вала 250 об/мин происходит отключение электрической пусковой схемы, и дизель переходит в режим циклической работы.

К достоинствам описанной выше электрической схемы запуска двигателя тепловоза 2ТЭ116УД можно отнести следующее:

- отсутствие механической связи пускового устройства и привода распределительного вала дизеля, что повышает надежность системы запуска;

- наличие интеллектуальной системы управления, контролирующей текущее состояние всех элементов системы и управляющей процессом запуска двигателя.

Основными недостатками схемы запуска с использованием тиристорного инвертора являются:

- неполная управляемость тиристоров - для выключения требуются специальные схемы принудительной коммутации, что может вызвать выход из строя элементов в аварийных режимах ввиду невозможности оперативного их отключения;

- сложность системы управления запуска двигателя;

- наличие большого перечня дополнительных элементов - резисторы, дроссель, коммутирующий конденсатор, ограничитель напряжения и т.д.

- высокие массогабаритные показатели вследствие большого количества дополнительных компонентов системы;

- отсутствие технической поддержки со стороны производителя дизельного двигателя и его системы запуска;

- невозможность приобретения запасных частей для дизельного двигателя и его системы запуска.

Кроме того, при эксплуатации тепловозов 2ТЭ116УД выявлены следующие дополнительные особенности:

- невозможность запуска двигателя при пониженном напряжении АБ (с учетом параллельного подключения батареи другой секции);

- периодические сбои в работе системы управления запуском;

- отсутствие полной технической поддержки, ремонтной и эксплуатационной документации, запасных частей.

Аналогичный дизельный двигатель установлен на тепловозах 3ТЭ25К2М, которые используются для вождения тяжеловесных поездов на Байкало-Амурской магистрали (далее - БАМ). Данная серия локомотивов позиционировалась заводом-изготовителем АО «УК «БМЗ» как наиболее современная и совершенная серия из существующих локомотивов в Российской Федерации. Тепловозы производились в период с 2017 по 2022 годы. Производство локомотивов было прекращено ввиду введения санкционных ограничений.

Несмотря на использование той же силовой установки, что и на тепловозе 2ТЭ116УД, система запуска двигателя имеет отличную от него компоновку и располагается в двух шкафах пуска дизеля, которые располагаются над тяговым агрегатом. На рисунке 1.21 приведено расположение пускового оборудования на тепловозе 3ТЭ25К2М [38].

левый и правый шкафы пумадизеш

Рисунок 1.21 - Расположение пускового оборудования на тепловозе 3ТЭ25К2М

Система запуска дизельного двигателя тепловоза 3ТЭ25К2М представляет собой совокупность элементов, которая обеспечивает раскручивание вала тягового агрегата инверторным тиристорным преобразователем. При этом тяговый агрегат переводится в двигательный режим путем создания вращающегося магнитного поля на одной трехфазной «звезде» статорной обмотки тягового генератора и формирования необходимого тока возбуждения для соответствующей обмотки. Система запуска двигателя имеет аналогичный тепловозу 2ТЭ116УД состав блоков и, соответственно, те же самые преимущества и недостатки.

1.2 Предложения по совершенствованию системы запуска силовых установок автономных локомотивов

Проведенный анализ существующих систем запуска силовых установок локомотивов показал, что, несмотря на предпринимаемые меры по улучшению их технических характеристик с целью повышения надежности и эффективности, существенных успехов в данном вопросе достигнуто не было, поэтому для решения проблемы надежности, эффективности запуска тепловых двигателей требуется принципиально новая концепция.

Как известно, с увеличением секционной мощности тепловозов произошел переход к использованию в составе их силовых установок тяговых генераторов

переменного тока [39]. Данный тип генераторов имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее применяемыми генераторами постоянного тока, а именно:

- меньшие массогабаритные параметры при одинаковой реализуемой мощности (экономия материалов для производства - железо, медь; меньшие габаритные размеры и масса - удобство размещения при компоновке тепловоза);

- более высокую эксплуатационную надежность;

- позволяет снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт;

- имеет техническую возможность реализации запуска силовой установки тепловоза с использованием генератора в двигательном режиме (инверторный запуск).

Генераторы переменного тока широко применяются в составе силовых установок таких тепловозов как 2(3)ТЭ116 различных модификаций, 2ТЭ25КМ, 3ТЭ25К2М, 2ТЭ25А, ТЭП70, ТЭП70БС.

Сохраняется данная тенденция и на вновь разрабатываемых локомотивах. В связи с этим наиболее перспективной концепцией, которая позволит усовершенствовать технические характеристики систем запуска силовых установок, является система инверторного запуска. Современное состояние электроники позволяет проектировать новые типы пусковых устройств (преобразователей) с применением полностью управляемых силовых полупроводниковых модулей.

Для запуска силовых установок автономных локомотивов предлагается использовать преобразователь, который из напряжения постоянного тока АБ формирует переменное напряжение, регулируемое по частоте и амплитуде, а также регулирует ток, протекающий через обмотку возбуждения синхронного генератора.

Применение данного способа позволяет комплексно решить проблемы, выявленные при анализе текущего состояния в данной области, а именно:

- за счет плавного пуска ограничить ток, потребляемый от АБ в процессе раскрутки;

- исключить механическую связь устройства предварительной раскрутки с двигателем;

- повысить эффективность использования энергии АБ, увеличить ее срок службы;

- снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт системы запуска двигателя локомотива за счет исключения СтГ и других вспомогательных машин (возбудитель, при наличии);

- улучшить показатели надежности локомотива и, как результат, сократить время простоя тягового подвижного состава на неплановых ремонтах, причиной которых является неисправность элементов системы запуска силовой установки.

Данное техническое решение может быть использовано как в рамках проектирования новых локомотивов - магистральных и маневровых, так и при модернизации или ремонте уже существующего подвижного состава, что значительно расширяет область его применения.

1.3 Выводы по первому разделу

В данном разделе диссертационной работы выполнен анализ особенностей функционирования существующих систем запуска двигатель-генераторных установок автономных локомотивов. В результате исследования данного вопроса выявлен ряд проблем, которые не решены полностью на сегодняшний день. Технические решения, предлагаемые для совершенствования систем запуска, позволяют лишь частично улучшить свойства пусковых систем.

Для комплексного решения выявленных проблем определена цель диссертационного исследования - разработка новой концепции запуска силовой установки автономных локомотивов с применением высокотехнологичного пускового преобразователя.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи, которые необходимо решить в рамках диссертационного исследования:

- разработка структурной схемы инверторной системы запуска, пускового преобразователя и его системы управления;

- разработка математической и имитационной компьютерной модели инверторной системы запуска;

- разработка электрической принципиальной схемы преобразователя;

- реализация алгоритмов управления для пускового устройства;

- исследование электромагнитных и электромеханических процессов, протекающих при запуске силовой установки локомотива, с использованием разработанной компьютерной модели;