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