Все маневровые тепловозы имеют схему передачи тягового усилия на колесные пары от силового агрегата (как правило дизельного двигателя), посредством гидравлической передачи (тепловозы серии ТГМ), либо посредством электрической передачи (ЧМЭЗ2, ЧМЭЗ, ТЭМ1, ТЭМ2, ВМЭ1 и другие модели).
В первом случае мощность дизеля через карданные валы передаётся гидравлическим коробкам переменных передач, и далее через карданные валы на осевые редукторы колесных пар.
Во втором случае (с электрической передачей) передача тяговых усилий на колесные пары осуществляется от электрического двигателя через механический редуктор, установленный непосредственно на колесной паре.
Подача питающего напряжения на такой двигатель осуществляется от дизель-генераторной установки тепловоза. Регулирование тяги и скорости передвижения осуществляется изменением питающего напряжения генератора.
Приводные механизмы существующей путевой техники с электрической передачей оснащены релейно-контакторной системой управления и приводами преимущественно с асинхронными электродвигателями с фазным ротором. На сегодняшний день такая система управления морально устарела и на фоне современных микропроцессорных систем управления зарубежных производителей с частотным регулированием отличается плохой управляемостью и повышенным энергопотреблением.
Явным недостатком такой системы является явление как "избыточный динамический момент", который возникает в момент пуска электродвигателя. Это явление порождает ударные нагрузки, приводит к преждевременному износу элементов, появлению люфтов в трансмиссии приводов, снижению точности позиционирования, повышенной утомляемости машинистов и как следствие ухудшению качества выполняемых маневровых работ.
Ремонты дадут эффект только на несколько месяцев, а дальше снова "разбитые" элементы трансмиссии. Этот факт обусловлен спецификой подбора первой ступени резисторов. В релейно-контакторных системах управления со ступенчатым регулированием скорости "избыточного динамического момента" никак не избежать - это технологическая особенность такого привода. Для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором необходим подбор активного сопротивления цепи ротора таким, который будет удовлетворять следующему коэффициенты скольжения двигателя, согласно формулы:
Кск = Fст – Fрот/ Fст > 27%
Т.е. в процентном отношении магнитное поля ротора относительно поля статора должно быть не менее 27%. В этом случае пусковой момент асинхронного двигателя с фазным ротором будет равен критическому моменту для устойчивости. То есть при пуске двигатель практически мгновенно развивает максимально-возможный момент, что порождает ударные нагрузки, именуемые "динамическим моментом".
Для регулирования частоты вращения данных двигателей, что необходимо в большинстве случаев для электропривода, применяется несколько методов регулирования:
- регулирование частоты вращения осуществляется при помощи установки дополнительного оборудования в виде индукционной муфты, которая соединяет ведущий вал асинхронного двигателя с редуктором колесной пары. Изменение тяги и скорости вращения, передаваемой на редуктор, зависит от величины магнитного потока, воздействующего на вращающую часть муфты. Его величина зависит от величины напряжения постоянного тока, подаваемого на неподвижную часть муфты через щётки.
- регулирование частоты вращения путем введения резисторов в цепь ротора (асинхронный двигатель с фазным ротором). Недостатком данной конструкции является увеличение потери мощности и снижение частоты вращения ротора двигателя, за счет увеличения скольжения. Жесткость механической характеристики значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до 2 – 3 / 1, следствием чего является значительная потеря энергии;
- регулирование частоты вращения путем изменения напряжения на статоре; такой метод заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, что позволяет регулировать скорость ротора. При этом между сетью и статором подключается регулятор напряжения для изменения подаваемого напряжения. Недостатком этого вида регулирования является наличие дополнительного оборудования; кроме того, если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя, то двигатель не будет вращаться, т.е. при данном виде регулирования, двигатель необходимо запускать на холостом ходу.
- изменением числа пар полюсов, исходя из выражения
n = 60f / p
при изменении пар полюсов (p) будет изменяться число оборотов ротора. Сложность этой системы регулирования заключается в том, что необходимо укладывать дополнительные обмотки в пазы статора, и дополнительно устанавливать коммутационное оборудование для переключения. При этом регулирование двигателя возможно либо двух, либо четырех скоростное;
- вентильный каскад (вентильное регулирование) – подача через токосъемное устройство в цепь ротора добавочной ЭДС;
- частотное регулирование.
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя производится изменением частоты питающего напряжения, которое заключается в том, что изменяя частоту питающего напряжения (f) всоответствии с формулой
n = 60f / p,
при неизменном числе пар полюсов (p) изменение угловой скорости (n) магнитного поля статора.
Данный вид регулирования позволяет при подключении в схему реостата производить электродинамическое торможение (реостатное) до полной остановки электропривода. Такая система состоит из выпрямительной установки, системы фильтров и инвертора. В настоящее время широко используется на электровозах переменного тока с асинхронным приводом, тепловозах производства Коломенского завода.
Такое же регулирование в настоящее время широко внедряется на грузоподъемных кранах, в том числе мостовых, козловых, железнодорожных. На многих предприятиях тяжелой промышленности, где имеется оборудование с асинхронным приводом (например насосы, компрессоры), также устанавливается частотные преобразователи для возможного плавного регулирования скорости движения.
На сегодня микропроцессорные системы управления с частотным регулированием считаются самыми современными разработками в приводном машиностроении.
- Применение частотно-регулируемого привода позволит избежать всех недостатков как релейно-контакторной, так и гидромеханической схем управления.