Электрическая тяга локомотивов
Автономные локомотивы являются
«самодвижущимися» машинами — локомотивами в подлинном смысле этого термина.
Однако эта «независимость» (т.е. автономность) покупается большой ценой — она
делает конструкцию локомотива сложной и тяжелой, так как связана с
необходимостью нести на себе собственную энергетическую установку, размеры и
масса которой достаточно велики и растут с увеличением мощности. Размеры же
самого локомотива ограничены: в поперечном сечении — железнодорожными
габаритами, а по длине — условиями прохождения кривых участков пути, длиной
имеющихся локомотивных зданий и поворотных кругов и др. Масса локомотива
ограничена допускаемыми по прочности пути нагрузками от его колесных пар на
рельсы.
Поэтому давно возникла идея упростить
и облегчить конструкцию локомотивов, переведя их на централизованное
энергообеспечение от внешнего источника, по принципу работы городского
рельсового электротранспорта — трамвая.
Наиболее ясно эту идею можно
проиллюстрировать на примере конкретного типа автономного локомотива —
паротурбовоза, о котором написано в предыдущем параграфе. Его громоздкая
паросиловая энергетическая установка включает в себя паровой котел, паровую
турбину и приводимый ею электрический турбогенератор и по сути дела
представляет собой передвижную электростанцию. Разместить ее вместе с
достаточными запасами топлива и воды на локомотиве трудно. Выйти из положения
можно, разместив всю эту энергетическую установку на земле, т.е. сделать
электростанцию стационарной, а вырабатываемую ею электроэнергию передавать
тяговым электродвигателям (ТЭД) дистанционно.
В таком случае электростанция не
ограничена размерами и массой, ее конструкцию можно как угодно усложнять, чтобы
повысить кпд. Она может снабжать энергией не один локомотив, а несколько,
работающих на большом участке железной дороги, т.е. значительно увеличить ее
мощность. Одна мощная электростанция эффективнее десятков локомотивных
энергетических установок.
В результате создается новая система
— электрифицированная железная дорога. Она объединяет локомотивы — электровозы,
работающие на линии, и устройства их энергоснабжения.
Следовательно, электровоз является
неавтономным локомотивом. Его функционирование возможно лишь при подводе
энергии извне, оно зависит от работы электростанций и состояния остальных
элементов энергетической цепи электрифицированной железной дороги (рис. 1,а).
Рис.1 Структурная схема
электрифицированной ж.д. постоянного тока
1 — топка; 2 — паровой котел; 3 —
паровая турбина; 4 — электрический генератор; 5 — тяговые электродвигатели; 6 —
колесные пары
Поэтому работу и эффективность
электровоза и электрифицированной железной дороги следует рассматривать и
оценивать в составе всего комплекса систем и устройств, которые обеспечивают
преобразование внутренней химической энергии природного топлива (в том числе и
ядерного «горючего» — в случае питания от атомной электростанции) в
механическую работу силы тяги, т.е. рассматривать систему электрической тяги в
целом.
Становление электрической тяги.
«Борьба идей». Попытки применить электрические двигатели в различных видах
транспорта для создания движущей силы возникали давно. Однако они носили лишь
демонстрационный и кустарный характер, так как кроме примитивных и маломощных
гальванических элементов других источников электричества человечество еще не
знало. Например, еще в 1834 г. русский академик Б.С. Якоби на реке Неве (в
Петербурге) продемонстрировал работу лодки с электроприводом мощностью около
0,4 кВт с питанием от электрохимических батарей.
Реальные шаги по созданию колесного
электрического транспорта могли быть сделаны после изобретения электрических
машин. В 1866 г. немецкий электротехник Вернер Сименс разработал проект
динамомашины постоянного тока, которая, как мы знаем, обратима, т.е. может
работать и в качестве генератора, и в качестве двигателя. В это же время
конструкции такой машины создавали и другие изобретатели. Бельгийский физик З.
Грамм в 1869— 1870 гг. построил самовозбуждающийся генератор постоянного тока
более совершенной конструкции.
Несколько позже, в 1878 г. великий американский изобретатель Томас Эдисон разработал свою конструкцию генератора. В 1889 г. российский электротехник М.О. Доливо-Добровольский, работавший в Германии, создал первый в
мире трехфазный асинхронный двигатель.
Распространению подобных изобретений
способствовало промышленное производство электрической энергии, и одним из ее
потребителей стал железнодорожный транспорт.
Первый опыт использования
электрической тяги на рельсах показал в 1879 г. Вернер Сименс (кстати, основатель современной могучей электротехнической корпорации «Сименс»). На промышленной
выставке в Берлине для посетителей был сделан своеобразный аттракцион — по
рельсовому пути длиной 270 м курсировал маленький локомотивчик (с мощностью
мотора чуть больше 2 кВт), который вез за собой пять вагонеток с лавками для
пассажиров — посетителей выставки. Спустя три года В. Сименс показал свою
транспортную систему на Промышленно-художественной выставке в Москве.
Между изобретателями разных стран развернулось
своего рода соревнование. В 1880 г. российский инженер Ф.А. Пироцкий оборудовал
пассажирский вагон Петербургской конки тяговыми электродвигателями и провел
первые опыты применения электрической тяги, для чего в Санкт-Петербурге была
построена первая электрическая рельсовая дорога. В том же году Т. Эдисон
построил около своей лаборатории недалеко от Нью-Йорка экспериментальную
электрифицированную дорогу длиной 600 м, а в 1882 г. сделал другой опытный участок — для общего пользования.
По проекту В. Сименса в 1881 г. под Берлином был проложен пригородный участок, по которому курсировал моторный вагон. В 1890 г. электрифицирована линия метро в Лондоне длиной 5,5 км, которая до этого с 1863 г. работала на паровозной тяге.
Первой в мире в 1895 г. была электрифицирована магистральная железная дорога Балтимор — Огайо (США) протяженностью 115 км. Для нее компанией «Дженерал Электрик», которую основал Т. Эдисон, был построен первый в мире
четырехосный магистральный электровоз.
Во всех этих случаях надо было решать
вопрос, как передавать электрическую энергию движущемуся транспортному
средству. Изобретатели приходили к разным решениям. Это позволило известным
специалистам, профессорам МИИТа И.П. Исаеву и В.П. Феоктистову назвать
начальный период становления электрической тяги «борьбой идей».
Ф.А. Пироцкий и Т. Эдисон
использовали для создания замкнутой электрической цепи оба рельса,
изолированных друг от друга, и колесную пару вагона. В. Сименс, лондонские
метростроители и американские железнодорожники использовали дополнительный
третий рельс, который играл роль плюсового провода, а токоприемники и рельсы —
в качестве отрицательного провода. Кстати, третий (контактный) рельс как
средство подвода энергии и сейчас используется на метрополитенах.
Однако наземный рельсовый транспорт
(городской и магистральный) потребовал применения вместо третьего рельса
специального изолированного контактного провода, подвешенного над любыми
транспортными средствами (трамвай, троллейбус, электровоз) на безопасной высоте.
Венгерский инженер К. Кандо в 1901 г. разработал систему электрической тяги на трехфазном переменном токе для Симплонского тоннеля
в Альпах (между Швейцарией и Италией). Для его проекта уже нужны были два
изолированных контактных провода, третий — рельсовый путь.
Электрификация железных дорог в
России и СССР. В начале XX в. известный русский ученый-энергетик Г.О. Графтио разработал ряд
проектов электрификации железных дорог. Один из них в 1912 г. был утвержден — электрификация участка Петербург — Царское Село. Однако из-за начала первой
мировой войны проекты остались не реализованными.
Практическая электрификация железных
дорог в нашей стране началась с пригородных участков. В 1926 г. было открыто движение электропоездов на участке Баку — Сабунчи — Сураханы длиной 19 км, который был электрифицирован по системе постоянного тока напряжением 1,2 кВ. В 1929 г. началась электрификация Московского железнодорожного узла: первым на электротягу постоянного
тока напряжением 1,5 кВ перевели участок Москва — Мытищи (17,7 км), на котором 1 октября 1929 г. открыли регулярное движение пригородных поездов. С 1947 г. все ранее электрифицированные участки стали переводить на напряжение 3 кВ в контактной сети
постоянного тока, и эта система была принята за основную при дальнейшей
электрификации железных дорог СССР.
(Здесь надо сделать одно пояснение. В
литературе помимо значений напряжения в контактной сети постоянного тока 1,5 и
3 кВ встречаются значения 1,65 и 3,3 кВ. Но речь идет об одних и тех же
системах: просто первые цифры являются расчетными значениями напряжения в
контактном проводе и на токоприемниках электроподвижного состава, а вторые —
это значения напряжения на шинах тяговых подстанций, которые на 10 % выше для
компенсации падения напряжения в контактной сети.)
В 1956 г. был электрифицирован опытный участок Ожерелье — Павелец (137 км) на однофазном переменном токе промышленной частоты 50 Гц и напряжением в контактной сети 22
кВ. С 1959 г. напряжение в системе повысили до 25 кВ, и эта система переменного
однофазного тока, при которой тяговые электродвигатели электровозов работают на
выпрямленном постоянном токе, также была принята за основную при дальнейшей
электрификации сети железных дорог СССР.
Первые отечественные грузовые
электровозы Сс (сурамский советский) и ВЛ19 (серия названа в честь В.И. Ленина,
цифра 19 указывала нагрузку от оси на рельсы) были построены в 1932 г. на Коломенским заводе совместно с Московским заводом «Динамо». Первый пассажирский электровоз
серии ПБ (Политбюро) также выпущен Коломенским заводом в 1934 г.
В дальнейшем (после 1945 г.) производство новых электровозов в СССР сосредоточили на Новочеркасском и Тбилисском заводах,
а моторвагонных электропоездов — на заводах в Риге.
Заметим, что электровозы и
электропоезда вместе, как совокупность технических средств для движения по
электрифицированным железным дорогам, имеют общее название «электроподвижной
состав» (ЭПС).
В настоящее время на дорогах России
применяются две системы электрической тяги: постоянного тока с номинальным
напряжением в контактной сети 3 кВ и однофазного переменного тока промышленной
частоты 50 Гц с номинальным напряжением 25 кВ.
Работа электрифицированной железной
дороги. Энергетическая цепь системы электрической тяги постоянного тока (см.
рис. 9,а) состоит из следующих основных элементов: электростанции, как правило,
тепловой (ТЭС), высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), тяговых подстанций
(ТП), контактной сети (КС), электровозов (ЭЛ) и рельсового пути в качестве
обратного провода.
