Системы электрической тяги

Система электрической тяги определяется родом тока и уровнем напряжения в контактной сети. Принципиально возможно осуществить электрификацию железной дороги как на постоянном, так и на переменном однофазном токе.

При выборе системы электрической тяги возникает ряд противоречивых требований.

1. Для снижения потерь в тяговой сети при передаче энергии от ТП к- ЭПС желательно иметь возможно большее напряжение, что приобретает особое значение в связи с постоянным увеличением мощности ЭПС. Изменение уровня напряжения осуществляется достаточно просто только при переменном токе (с помощью трансформаторов). Однако это увеличение напряжения связано с возникновением трудностей при изоляции проводов контактной сети от заземленных конструкций, расположенных по трассе железной дороги (мосты, тоннели и другие искусственные сооружения).

Таким образом, для электрификации железных дорог с этих позиций желательно использовать переменный ток при ограничении уровня напряжения (обычно 25 кВ).

2. Тяговый двигатель ЭПС должен иметь хорошие регулировочные свойства, так как должен обеспечивать возможность реализации различных скоростей в зависимости от условий движения. Однако тяговый двигатель однофазного переменного тока стандартной частоты 50 (60) Гц достаточной для электровоза мощности создать не удается из-за возникающих при этом технических трудностей. Сделать такой двигатель практически, возможно только при снижении частоты питающего тока в 2-3 раза.

Хорошие регулировочные качества имеет двигатель постоянного тока. Поэтому при электрификации на переменном токе на ЭПС устанавливают преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель), что при современном уровне развития полупроводниковой техники никаких трудностей не представляет.

3. При электрификации железной дороги на постоянном токе появляется возможность использовать ТД постоянного тока без преобразования энергии на ЭПС. Однако технически возможно выполнить такой двигатель на сравнительно низкое напряжение (1,5 кВ). Изменение же уровня напряжения постоянного тока представляет собой достаточно сложную задачу, поэтому при использовании системы постоянного тока приходится ограничивать уровень напряжения в контактной сети величиной 3 кВ, предусматривая при этом постоянное последовательное соединение на ЭПС двух тяговых двигателей (по 1,5 кВ на каждый).

Необходимо заметить, что современный уровень развития полупроводниковой преобразовательной техники позволяет создавать ЭПС различных систем, кроме упомянутых выше, которые будут рассмотрены в специальных дисциплинах на старших курсах.

В настоящее время существуют 3 системы электрической тяги. Они возникли в начале XIX века практически одновременно в разных странах и .их появление определялось особенностями каждой страны, уровнем развития электротехнической промышленности и ее энергетической базы. К ним относятся:

а) система постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ. На ТП устанавливают трансформаторы для понижения напряжения и выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный;

б) система однофазного переменного тока нормальной частоты 50 (60) Гц с напряжением 25 кВ. При этой системе на ТП производится лишь понижение напряжения до необходимого уровня, на ЭПС с помощью трансформатора напряжение снижается до значения 800-1500В и затем осуществляется преобразованием переменного тока в постоянный для питания тяговых двигателей. Такая схема является наиболее распространенной, хотя существуют и другие системы, упомянутые выше;

в) система однофазного переменного тока пониженной частоты 16²/₃ Гц (одна треть от 50 Гц), 25 Гц (половина от 50 Гц) и 15 Гц (одна четверть от 60 Гц). Преобразование стандартной частоты в пониженную производится на ТП или электрическая железная дорога получает энергию от специальной системы ЭС, генераторы которых вырабатывают энергию переменного тока пониженной частоты. ЭПС оборудован ТД переменного тока соответствующей частоты.

Следует заметить, что на заре развития электрической тяги возникла и несколько десятилетий существовала система трехфазного тока, требующая трех проводов для питания ЭПС: два контактных провода и рельсовая цепь. Сложность сооружения двухпроводной контактной сети (особенно при высоком уровне напряжения) очевидна. Эта система в настоящее время не существует.