Parovoz.COM

Столкнулся с вопросом "почему скорость продолжительного режима электровоза значительно выше чем у тепловоза?". Стал разбираться - и запутался.
Склоняюсь к тому, что первопричина - мощность дизеля, которая в свою очередь упирается в экономику и технику. Отсюда два момента:
1) необходимость высокой мощности ДГУ для обеспечения высокой силы тяги на более высокой скорости;
2) затраты энергоресурсов на ведение состава при повышении скорости растут непропорционально, что в условиях автономной энергетической установки болезненней, чем для электровоза.

Тогда у собеседника возник другой вопрос "а стоило ли электровозам делать такую высокую скорость прод. режима?".
Подскажите

Что значит «стоило ли делать»? Электротяга и существует для повышения пропускной способности участков, а повышение скорости — и есть повышение пропускной способности. В одну технологическую эпоху электровоз всегда будет вдвое мощнее тепловоза. В 50-е секция ТЭ3 имела мощность по дизелю 2000 лс (менее 1,5 МВт, на ободе и того меньше), аналогичный электровоз, ВЛ23 — 2,8 МВт, в 60-е секция 2ТЭ10Л — по дизелю 2,2 МВт, а ВЛ60 — 4 МВт по ТЭД-ам, сейчас «Витязь» имеет 3 МВт по дизелю и с учётом КПД примерно 450 кВт на ось, а «Гранит» — 1100 кВт на ось.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

Тут проблема вот в чем: давайте сравним (мне это ближе) ВЛ8 и 2ТЭ116! ВЛ8 мощность 4200 кВт, расчетная скорость около 42 км/ч, на 2ТЭ116 мощность по ТЭД = 12х305=3660 кВт, расчетная скорость около 24 км/ч. Номинальное напряжение контактной сети для ВЛ8 3000 кВт, схема соединения ТЭД на параллели - 4 группы по 2 ТЭД, соединенных последовательно, итого напряжение на одном ТЭД на параллели около 1500 В. На 2ТЭ116 ввиду ограничения габаритов напряжение тягового генератора намного ниже - 290/535 В по паспортным данным, в результате ТЭД на нем подключены постоянно на параллель, но при втрое меньшем напряжении для обеспечения необходимой мощности необходимо соответственно намного больший ток, который на ВЛ8 составляет максимум до 500 А, а на 2ТЭ116 до 1100 А. Частота вращения якоря ТЭД определяется по формуле (U-IхRсум)/(с х Ф), где с - постоянная величина, а Ф - магнитный поток ТЭД, напрямую зависящий от силы тока возбуждения, для машин с последовательным возбуждением он равен току якоря. Из этой формулы хорошо видно, что наибольшая частота вращения ТЭД (соответственно и скорость движения локомотива) будет при большом напряжении и малом токе, т.е. на электровозах, а на тепловозах ввиду ограничения напряжения и больших значений тока скорость локомотива будет существенно ниже. Для повышения скорости движения тепловозов необходимо повысить напряжение, вырабатываемое генератором тепловоза, но это невозможно по причине ограничения габаритов тепловоза. Можно попытаться "играться" с передаточным числом ТЭД, но тут есть другие конструктивные ограничения...

Да ладно, передаточные числа какие-то... Мощность P = I x U = V x F, эти формулы не обманешь, только на электровоз нам поставляет мощность контактная сеть, где напряжение обычно за 3,5 кВ (а это уже 1,6-1,8 кВ на двигатель), ток можно накрутить до 500 А, это уже будет не 4200 кВт, а 7000 кВт, а на тепловозе уже не накрутишь, там сколько дизель выдаст и не больше.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

Я специально сравнил электровоз и тепловоз примерно одинаковой мощности. В тепловозе главное ограничение - диаметр тягового генератора, который определяет максимальное напряжение генератора. Да, можно поставить на тепловоз повышающий трансформатор, если там стоит синхронный генератор, но если говорить о реальных тепловозах, на которых трансформатор поставить просто некуда ни по габаритам, ни по весу, то ограничение будет и по напряжению и по току. По напряжению ограничение есть потому, что существует предельно допустимое напряжение между коллекторными пластинами, соответственно чем большее напряжение выдает генератор, тем больше должно быть у него коллекторных пластин и тем больше будет диаметр коллектора. Кроме того фактически обмотка якоря любого генератора состоит из витков, соединенных последовательно, каждый виток выдает определенное напряжение и при увеличении напряжения генератор по числу витков просто перестает влазить в габариты тепловоза. Причем при применении генераторов переменного тока тоже есть это ограничение, хоть там и нет коллектора. Если посмотреть на внешнюю характеристику тягового генератора, то там имеются ограничения и по максимальному напряжению (при максимальной скорости тепловоза), и по максимальному току (при трогании с места). Ограничение по току является основной причиной применения генераторов переменного тока, потому что в генераторах переменного тока рабочая обмотка расположена на статоре и это снимает ограничение по току на коллекторе, на ротор подается только ток возбуждения, к тому же там и коллектора нет. В результате при примерно том же максимально допустимом напряжении генератор переменного тока может выдать намного больший ток, а соответственно и мощность, что нам и необходимо. Но для повышения скорости вращения ТЭД надо повышать не ток, а напряжение, а его как раз и не хватает, поэтому при равной мощности и одинаковом передаточном числе тягового редуктора у тепловоза будет меньше расчетная скорость, но большая сила тяги, что обеспечивает тепловозу вождение тяжелых поездов с относительно малой скоростью. Электровоз же водит поезда меньшего веса, но с большей расчетной скоростью. А т.к. нам нужна в первую очередь скорость доставки грузов, идет развитие электрификации. Если бы конструктивно грузовой тепловоз смог бы выдать такую же техническую скорость вождения грузовых поездов, что и электровоз, никто бы не городил эту электрификацию, имеющую массу побочных проблем. Чтобы там ни говорили, но у тепловозной тяги основной недостаток - низкая скорость доставки грузов и соответственно меньшая пропускная способность жд линий. Экономичность электротяги перед теплотягой - довольно спорный вопрос.

Трансформатор тоже ничего особо не даст, это тот же самый редуктор, только электрический, коэффициент тр-ции — то же самое передаточное число. Мощность он повысить не в состоянии (только потерять часть 4-6 % — уж какой КПД), повысим с помощью него напряжение на ТЭД-ах — упадёт максимальный ток, а с ним и максимальная сила тяги, тепловоз превратится в пассажирский, только силами не механических редукторов, а электрического. Так что верно сказано — если бы тепловозы могли, никто бы не городил электрификацию. Но они слабоваты.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

Опять-двадцать пять... Какая мощность у ТЭП70? Если считать по мощности ТЭД, то это 6 х 411 = 2466 кВт на одну секцию или 4932 кВт на две секции. Тот же ВЛ11М имеет мощность 5360 кВт на две секции, ВЛ8 вообще 4200 кВт. Т.е. мощность для грузового вполне достаточна, что и доказало создание 2ТЭ70. Так что еще раз повторяю: дело в напряжении! У того же ТЭП70 генератор выдает максимум 520 В, да и то при максимальной скорости, а в среднем около 300 В, какая может быть скорость при таком маленьком напряжении?

Повышение технической скорости слабо влияет на общую скорость доставки, потому что в движении грузовой вагон лишь 20-22% времени оборота.

Недостаток - да, но не основной. Основной - экономичность. По Вашему тогда выходит, что "основная стратегия" развития инфраструктуры жд ошибочна.

Как раз таки не спорный, потому что взяли и посчитали. Получилось, что электротяга экономичнее процентов на 30. В советское время в академической литературе писали, что автономная тяга дороже электрической в 1,3-1,5 раза (зависит от размеров движения, ниже определённого порога тепловозы выиграют). В постсоветское время, такое ощущение, эта цифра стала "2 в уме".
Моя гипотеза, что это из-за эксплуатационных качеств тепловозов ТЭ10 всех мастей, да и запуск в эксплуатацию 2ТЭ116 (да и 2ТЭ121) своего масла в огонь тоже подлил. Согласен с такой фразой:

"Из-за технических и организационных ошибок обеспечить железным дорогам хороший грузовой тепловоз так и не удалось - ни в 30-х, ни в 60-х, ни в 70-х, ни в 80-х." http://scado.narod.ru/catalog2/r_itogi.htm

То есть, не являюсь сторонником огульной электрификации, но при превышении определённого порога размеров движения поездов она экономичней.

Даже если мы задерём напряжение, потеряв на столько же в токе, то всё равно для разгона не хватит силы тяги, которая зависит от тока.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

А почему на магистральных тепловозах не ставят САУТ?

_________________
Железная дорога - зона повышенной романтики...

Если бы могли задрать, то хватило бы, ВЛ8/ВЛ11 хватает же для этого 500 А! Короче, если с электротехникой у вас полный пробел, то дальше говорить не о чем, можете оставаться при своем авторитетном мнении...

Саш, посмотри на данные профиля, зря на «вы»
Двигатели у ВЛ11 и ТЭП70 разные. В формуле момента двигателя три множителя — магнитный поток, ток якоря, конструктивный коэффициент. А у конструктивного коэффициента в числителе число пар полюсов, уже это — серьёзное различие, тепловозный двигатель четырёхполюсный, электровозный шестиполюсный, он тянет при том же токе в полтора раза сильнее. Это раз. У электровоза над головой контактная сеть, когда он берёт оттуда 2 кВ, что при скорости километров 50 в час обеспечивает 500 А, то это уже мощность 2 х 0,5 = 1 МВт. И её хватает на восемь двигателей. ДГУ ТЭП70, которая по дизелю 2,9 МВт, а на выходе ещё меньше, не вытянет и трёх двигателей. Так что если попытаться поднять напряжение генератора тем или иным способом, всё равно мощности на все оси не хватит — попытаешься запитать этим напряжением все 6 двигателей — САР срежет напряжение, уперевшись в ограничение по току генератора, а отключишь лишние двигатели — на двух осях разгонишься разве что резервом.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

На ВЛ8 ТЭД 4-хполюсные. Естественно, что имеющиеся ТЭД тепловозов разработаны под низкое напряжение, которое выдает генератор. Если бы у тепловозов была техническая возможность обеспечить хотя бы 1000-1500 В на выходе с тягового генератора, то были бы установлены ТЭД на соответствующее напряжение и тепловоз смог бы развивать скорости расчетного режима, аналогичные электровозам. Для этого надо и тяговые генераторы и тяговые двигатели совершенно другого типа, чем применяемые в настоящее время. Но предельное напряжение, вырабатываемое генераторами, ограничено габаритами тепловоза, о чем я с самого начала и толкую. То электрооборудование, что сейчас стоит на тепловозах, проектируется под низкое напряжение в силовой цепи именно по этой причине.

С генератора размером с ГС-504 снять 1500 В можно запросто, во вспомогательном генераторе ТЭП70БС — две звезды по 1500 В, и это далеко не предел. Только какой смысл поднимать напряжение, если удержать разгонный ток будет просто невозможно — не хватит мощности дизеля? Закон сохранения энергии никто не отменял, чтобы поднять напряжение при тех же 1000 об/мин, нужно поднять возбуждение, то есть увеличить Ф, а момент что двигателя, что генератора прямо зависит от I х Ф, I неизменен (сколько надо для разгона, столько и держим), соответственно, когда генератор будет тормозить сильнее, чем дизель крутить, то всё. Но ещё раньше САР срежет возбуждение по нагрузке дизеля. Ещё раз повторю, закон сохранения энергии никакими напряжениями не обманешь, I x U = V x F = M x ω. Если поставить цель только разогнаться, без поезда, то это, конечно, можно, только скорость расчётного режима — это скорость при максимальной мощности и расчётной силе тяги, когда поезд на подъёме, контроллер на последней позиции, сзади полный вес и между силой тяги и сопротивлением равновесие, у электровозов эта скорость ограничена только нагревом двигателей (скорости часового, длительного и других режимов), у тепловозов всё хуже, там ограничение по мощности ДГУ.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

Сам такое придумал? Спорить больше не хочу, ибо бесполезно

Посмотри силовую схему ТЭП70БС, конкретно — ВУ1.3, откуда она питается и что питает. Звезда 4 питает первый мост, звезда 3 — второй, мосты соединены последовательно и выдают 3000 В на пинчи отопления. Хотя там действительно схема звезда-Ларионов, она выдаёт 1500 постоянки при ощутимо меньшем, чем 1500, напряжении на входе... Но тяговый двигатель того же ЧС6 по мощности немногим меньше генератора М62, зато по размерам почти такой же и по напряжению выше втрое, при сегодняшней изоляции да синхронную, а не коллекторную машину можно сделать хоть на 10 кВ. И делают.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

Александр, я подтверждаю: ДГУ (правда, стационарные) с высоковольтными генераторами на 6.3 или 10.5 кВ - отнюдь не экзотика, а серийная продукция. Габариты таких генераторов вполне позволяют разместить их в кузове тепловоза.

Можете погуглить, и Вы сразу найдете кучу примеров.

Серийных тепловозных генераторов на такое напряжение нет. В чем причина этого - не знаю тогда, но недостатком мощности объяснить низкую расчетную скорость тепловоза нельзя. Причина в недостаточном напряжении генератора.

Повторюсь в четвёртый раз, поднимешь скорость расчётного режима — упадёт сила тяги расчётного режима. Смысл? Состав, висящий на подъёме на автосцепке, не знает о напряжениях генераторов.

_________________
Даёшь чёрную звезду за последнее место и автобан за три чёрных!
http://parovoz.com/newgallery/index.php?AUTHOR=2229

2ТЭ116 (3600 кВт) Vр=24.2 Fкр=50600 кгс V*F = 24.2*50600 = 1224520
ВЛ8 (4200 кВт) Vч=42,6 Fкч=35400 кгс V*F = 42.6*35400 = 1508040

Вполне сравнимая мощность...