Принцип работы системы электрической тяги

Принцип работы системы электрической тяги постоянного тока рассмотрим с помощью структурной схемы энергетической цепи (см. рис. 9,б), на которой показаны этапы преобразования внутренней химической энергии топлива в механическую работу силы тяги.

Тепловая электростанция на схеме представлена в виде отдельных энергетических устройств: топка 1, паровой котел 2, паровая турбина 3, электрический генератор 4. На электровозе выделены токоприемник ТС, электрические аппараты силовой цепи ЭА, тяговые электродвигатели 5 и колесные пары 6.

Топливо (уголь, мазут, газ и др.), обладающее внутренней химической энергией (ВХЭ), подается в топку 1 котельной ТЭС (см. рис. 9,а) и там сгорает. Образуются горячие газы — продукты сгорания (носители тепловой энергии), которые нагревают воду в паровом котле 2 и, как на паровозе, при кипении вода передает свою тепловую энергию образующемуся пару.

Необходимо, однако, отметить, что процесс преобразования внутренней химической энергии топлива в тепловую энергию пара в стационарной котельной установке ТЭС по сравнению с паровозом протекает значительно экономичнее (кпд котельной установки ТЭС, работающей при значительно более высоких давлениях и температурах, чем на паровозе, достигает 80 — 90 %, а в целом кпд ТЭС — 35 — 36 %).

Сжатый пар из котла 2 попадает на лопатки паровой турбины 3, заставляя ее ротор вращаться. Вал ротора паровой турбины 3 жестко связан с ротором электрического генератора 4. В генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую. Обычно ТЭС вырабатывают трехфазный переменный ток частотой 50 Гц и номинальным напряжением 6 — 10 кВ.

Как известно, в нашей стране электроэнергия вырабатывается не только тепловыми (ТЭС) электростанциями, но и гидростанциями (ГЭС), атомными (АЭС), а также ветровыми, солнечными, геотермальными и приливными электростанциями.

Кпд ГЭС составляет 80 — 85 %, АЭС — 30 — 35 %. Однако основное значение в электроэнергетике страны имеют тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС), на которых, например, в 2004 г. было выработано 67 % всей электроэнергии (на ГЭС — 19 %, на АЭС — 14 %). Примерно такое же соотношение выработки электроэнергии на различных типах электростанций наблюдается в большинстве развитых стран (хотя в некоторых странах доля ТЭС существенно выше).

От электростанции электрическая энергия подается к потребителю — электрифицированной железной дороге. Однако железные дороги могут быть удалены от источника энергии (ТЭС) на расстояния в сотни километров. Поэтому в энергетическую цепь электрифицированных дорог включены высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), которые предназначены для передачи энергии на большие расстояния.

Потери электроэнергии при ее передаче уменьшаются, если снизить силу тока I. Это обстоятельство можно объяснить на основании закона Ома, в соответствии с которым падение напряжения в цепи электрического тока равно , где — сопротивление цепи. Учитывая, что потери электроэнергии (мощности) равны произведению падения напряжения на силу тока I, т.е. , после подстановки значения получим .

Чтобы уменьшить величину сопротивления линий электропередачи, нужно увеличивать сечение и, следовательно, массу проводов, что неэкономично. На практике применяется более простой и дешевый способ снижения величины потерь — уменьшение силы тока за счет повышения напряжения .

Для работы электровозов к нему из контактной сети должна подводиться определенная величина электрической мощности Р, т.е. . Следовательно, для уменьшения потерь энергии достаточно повысить напряжение передаваемого тока.

По линии электропередачи электрический ток поступает к тяговым подстанциям (ТП), которые располагаются вблизи железной дороги. На ТП постоянного тока с помощью понижающего трансформатора сначала уменьшают напряжение тока до рабочего, т.е. примерно до 3,3 — 3,5 кВ, а затем в выпрямительной установке трехфазный переменный ток преобразуется в постоянный. Постоянный электрический ток напряжением 3,3 кВ поступает в контактную сеть (КС).