5Вопрос?

Система постоянного тока

Общая схема четырёхосного (четырёхмоторного) электровоза постоянного тока. Слева сериесное(последовательное) соединение (С) тяговых электродвигателей, справа — параллельноесоединение (П) электродвигателей. Если у электровоза будет 6 или 8 (или более) электродвигателей — тогда можно будет обеспечить сериесно-параллельное (последовательно-параллельное) соединение (СП) коллекторных электродвигателей.

Общая схема электровоза постоянного тока с импульсным регулированием. Преобразователь посылает импульсы тока, накопление энергии происходит вдросселе Lн. Фильтр LфCфпрепятствует проникновениюэлектромагнитных помех вконтактную сеть. Обратный диодVD замыкает цепь тягового двигателя в случае прекращения питания от контактной сети.

Общая схема электровоза постоянного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями.

В данной системе тяговые электродвигатели постоянного тока питаются напрямую от контактной сети. Пуск и регулирование осуществляется подключением реостатов, перегруппировкой двигателей (последовательное, последовательно-параллельное и параллельное включение) и ослаблением возбуждения.

Следует отметить, что на всех советских электровозах и электропоездах тяговые электродвигатели рассчитаны на напряжение 1 500 вольт, поэтому они всегда соединены попарно последовательно (напряжение в контактной сети при этом 3 000 вольт). Дело в том, что, если попытаться сделать электродвигатель на 3 000 В мощностью, равной с электродвигателем на 1 500 В, то масса и габариты высоковольтного двигателя окажутся больше, чем у низковольтного.

Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2Миспользуется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3 000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).

На железных дорогах России и в странах бывшего СССР на участках, электрифицированных по системе постоянного тока, используется напряжение 3 000 вольт. В 1930-е — 1950-е гг. в СССР некоторые пригородные участки были электрифицированы на 1 500 В, затем их перевели на 3 000 вольт. В начале 1970-х годов в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением 6 000 В, однако эту систему сочли неперспективной, в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током 25 киловольт.

Простота электрооборудования на локомотиве, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком электрификации на постоянном токе является сравнительно низкое напряжение в контактной сети, поэтому для передачи одинаковой мощности требуется больший ток по сравнению с более высоковольтными системами. Это вынуждает:

· использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей;

· увеличивать площадь контакта с токоприёмником электровоза за счет увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до двух и даже трёх (например, на подъёмах);

· уменьшать расстояния между тяговыми подстанциями для минимизации потерь тока в проводах, что дополнительно приводит к увеличению стоимости самой электрификации и обслуживания системы (подстанции хоть и автоматизированы, но требуют обслуживания). Расстояние между подстанциями на грузонапряжённых участках, особенно в сложных горных условиях, может быть всего лишь несколько километров.

Например, два электровоза имеют равную мощность 5 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник, составит 1 667 Ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 Ампер.

В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в реостатах.

В 2010 году в России начато производство грузовых электровозов постоянного тока 2ЭС10 «Гранит». Асинхронные тяговые двигателипитаются трёхфазным переменным током от инверторов.

Трамваи и троллейбусы в СНГ работают на постоянном токе напряжением 550 В, метрополитен в СНГ — на постоянном токе напряжением 750 В.

Промышленные электровозы постоянного тока работают на меньшем, чем 3 кВ, электрическом напряжении, например электровоз ЕЛ21 — 1,5 кВ, а электровоз II-КП4 выпускался в различном исполнении — 220, 550 или 600 вольт.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, а также на трамваях и в метрополитене принятаположительная полярность контактной сети: «плюс»  подаётся на контактный провод (контактный рельс), а «минус»  на рельсы. Положительная полярность принята с целью уменьшения электрохимической коррозии находящихся рядом с железнодорожными путями трубопроводов и иных металлических конструкций.

Так как обратным проводом являются рельсы, а их практически невозможно изолировать от земли, часть тягового тока ответвляется. Эти токи называются «блуждающие токи». Направление блуждающих токов предугадать практически невозможно. Блуждающие токи протекают не только в земле, но и по встречающимся на их пути металлическим частям различных подземных сооружений.

Зоны, где блуждающие токи стекают с рельсов или с иных подземных сооружений в землю, принято называть анодными зонами, а зоны, где блуждающие токи входят из земли в рельсы или иные подземные сооружения, принято называть катодными зонами. Так как имеется разность потенциалов между металлом (рельс, трубопровод) и землёй, в этих зонах возникаетэлектролиз и происходит электрохимическая коррозия металла.

На иллюстрации показана электрифицированная железная дорога с положительной полярностью.

На рельсах анодная зона перемещается вместе с электровозом, а катодная зона расположена возле тяговой подстанции. На искусственных сооружениях катодные зоны находятся в местах расположения тяговых нагрузок (один электровоз, или их несколько), а анодные зоны — около тяговых подстанций.

Под колёсами электровоза образуется анодная зона, а на проходящем рядом трубопроводе — катодная зона (левая часть рисунка). Зоны на стыках анодной и катодной зон называются знакопеременными, потенциалы в них могут менять свою полярность. Также анодная и катодная зона образуется вблизи тяговой подстанции (правая часть рисунка). Наиболее интенсивно рельсы корродируют под колёсами электровоза, а подземные сооружения — у тяговых подстанций.

Однако, изображённые в левой части рисунка анодная и катодная зоны — «передвигающиеся», то есть фактически знакопеременные, и электролиз в этих зонах носит кратковременный характер. Изображённые в правой части рисунка анодная и катодная зоны — «непередвигающиеся», расположены возлетяговых подстанций, и там электрохимическая коррозия наблюдается в наибольшей степени. Там, соответственно и располагаются станции катодной защиты.

Если бы контактная сеть имела отрицательную полярность (то есть «минус» подавался бы на контактный провод), то трубопроводы, проходящие рядом с железной дорогой, представляли бы практически сплошную анодную зону, и защитные меры для подземных сооружений пришлось бы принимать вдоль всей железной дороги, что было бы несравненно дороже.

Система переменного тока пониженной частоты[

Общая схема старого электровоза переменного тока пониженной частоты. Коллекторные электродвигатели переменного тока подключаются непосредственно к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Умформер 50 Гц → 16⅔ Гц наЖелезной дороге ГДР, передвижное исполнение. Обратите внимание: короткий вагон на семи осях, что говорит о его большом весе.

В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц, а в США на старых линиях 11 кВ 25 Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора напрямую, без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора. Коллекторные двигатели, питаемые переменным током пониженной частоты, имеют лучшую коммутацию, в сравнении с питанием током промышленной частоты.

Преимуществом системы является полная развязка контактной сети от питающей, так как для преобразования частоты применяются умформеры. Отсюда же проистекает второе преимущество — нет опасности перекоса фаз(мотор умформера питается трёхфазным током, а генератор выдаёт однофазный ток). Третье преимущество — заметно меньшие индуктивные потери.

Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.

Данная система появилась в 1910-е годы вынужденно, так как на постоянном токе потери были велики, а реализовать систему переменного тока промышленной частоты не позволил технический уровень того времени.

В Европе частота 16⅔ Гц была выбрана, так как она составляет 1/3 от 50 Гц, что позволяет применять в генераторах умформеров обычные трёхфазные машины на 50 Гц с изменённым подключением обмоток.

В США частота 25 Гц является техническим реликтом: такой была частота переменного тока до перехода сетей на 60 Гц в начале XX века.

Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что на электровозах переменного тока пониженной частоты стали применяться коллекторные двигатели постоянного (пульсирующего) тока, питаемые от полупроводниковоговыпрямителя, а с конца XX века применяются тяговые асинхронные двигатели, например, электровозы IORE. Таким образом, современные электровозы переменного тока пониженной частоты не имеют принципиальных отличий от электровозов переменного тока промышленной частоты.

См. схему двухсистемного (15 кВ 16⅔ Гц и 25 кВ 50 Гц) электровоза переменного тока BR 185 с асинхронными тяговыми электродвигателями, выпускается с 2000 года.

Система переменного тока промышленной частоты[

Общая схема электровоза переменного тока. Коллекторные электродвигатели пульсирующего тока подключаются через выпрямитель к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Использование тока промышленной частоты наиболее экономично, но его внедрение встретило много трудностей. Поначалу использовали коллекторные электродвигатели переменного тока, преобразующие мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс тяговый генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для асинхронных тяговых электродвигателей). Коллекторные электродвигатели на токе промышленной частоты работали плохо, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми и неэкономичными.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронами; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

Когда машинист и помощник занимали место в кабине электровоза ВЛ60(или ВЛ80, Ф, ВЛ41, ВЛ61) сртутными выпрямителями, то у них с собой обязательно были противогазы со специальной фильтрующей коробкой, поглощающей пары ртути. При аварии (прожиг корпуса игнитрона) следовало надеть противогаз, открыть боковые форточки в кабине, отключить неисправный игнитрон и в противогазе вести поезд до ближайшей станции.

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора (обмотка собственных нужд) через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или фазосдвигающих конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, на выбеге. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные на переменном токе, используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25 000 В) частотой 50 Гц. В некоторых источниках указывается напряжение 27,5 кВ, что создает путаницу. На самом деле тяговые подстанции выдают напряжение 27,5 кВ, но из-за падения напряжения вследствие высокого индуктивного сопротивления цепи «контактный провод — рельс» электровозы рассчитаны на работу на напряжении 25 кВ.

Система электрификации 2×25 кВ.

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт). Там, как правило, нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же бывает трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, один вывод обмотки подключён к питающему проводу, а другой — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ. Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

Промышленные электровозы переменного тока работают на меньшем, чем 25 кВ, электрическом напряжении, например тяговый агрегат ОПЭ1 — 10 кВ 50 Гц.