Переменный или постоянный ток

Общеизвестно, что электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В Советском Союзе, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.

Вполне естественно, что для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Такие двигатели, созданные русским ученым М. О. Доливо-Добровольским, быстро завоевали всеобщее признание и получили широкое распространение в промышленности.

Но эксплуатировать трехфазные двигатели на электрических железных дорогах оказалось делом трудным. В этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Устройство контактной сети оказалось очень сложным, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода при высоком напряжении нужно располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии. Но в дальнейшем широкого распространения она не получила.

Создать надежный однофазный двигатель переменного тока, получающий питание от одного контактного провода с использованием рельса в качестве второго провода, не удавалось. Правда, за границей в первый период введения электрической тяги все же устанавливали на электровозах однофазные двигатели, но питали их переменным током пониженной частоты (16²/₃ и 25 Гц). В условиях капиталистических стран, когда некоторые железнодорожные компании имели собственные электрические станции, или в тех странах, где стандартной является частота 25 Гц, такой путь электрификации был приемлемым.

Однако строить электростанции, производящие электрическую энергию переменного тока пониженной частоты, специально для электрических железных дорог нерационально. Поэтому в Советском Союзе электрификация железных дорог на переменном токе пониженной частоты не осуществлялась. Требованиям, связанным с условиями работы электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритах развивают необходимую мощность. Поэтому в СССР, как и во многих других странах, долгое время электрифицировали железные дороги по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. В настоящее время в Советском Союзе все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. Попутно отметим, что на постоянном токе, но более низкого напряжения работают также трамвай, троллейбус и метрополитен.

Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называют электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, где они работают, - электрифицированными железными дорогами постоянного тока или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока. Около 70% всех электрифицированных дорог на земном шаре электрифицировано по этой системе. Из 40 тыс. км электрифицированных железных дорог нашей страны около 25 тыс. км работает на постоянном токе.

Перевозки грузов и пассажиров железными дорогами непрерывно растут. В десятом пятилетии грузооборот железных дорог (т. е. масса грузов в тоннах, перевезенных за год, умноженная на расстояние их перемещения в километрах) должен возрасти на 22%. Во внутреннем грузообороте нашей страны на долю железнодорожного транспорта приходится более 75% грузовых и почти 50% пассажирских перевозок.

Освоение такого объема перевозок стало возможным благодаря непрерывному техническому перевооружению железнодорожного транспорта, а также постоянному совершенствованию организации перевозок. Одним из средств, помогающих освоить быстро растущий объем перевозок является увеличение массы поездов. Так, средняя масса поезда в 1940 г. была равна 1367 т, а в 1976 г. - 2741 т, т. е. возросла более чем в 2 раза.

Повышение массы поездов достигается благодаря использованию более мощных локомотивов. Мощность электровоза ВЛ19 - первенца нашего электровозостроения - составляла 2040 кВт, а мощность электровозов последних серий превышает 7000 кВт (приложение 1) т. е. больше в 3 раза. Мощность электровозов повышалась в результате как увеличения числа осей, а соответственно и числа тяговых двигателей, приводящих их в движение (с четырех до шести и восьми), так и роста мощности двигателей (с 250-400 кВт по 800-900 кВт).

Но с повышением мощности электровозов растет потребляемый ими ток, а следовательно, падение напряжения и потери электрической энергии в контактной сети, если неизменны ее сечение и напряжение в контактном проводе. Чтобы уменьшить непроизводительные потери энергии, увеличивают сечение проводов, но это вызывает большой расход дефицитного цветного металла. Лучше было бы, конечно, повысить напряжение, но сделать это не позволяют тяговые двигатели и тяговая аппаратура, так как с повышением напряжения надежность их работы снижается.

Поэтому вновь начали изучать возможности использования переменного тока для электрической тяги. Известно, что переменный ток обладает замечательным свойством: его можно трансформировать, т. е. повышать или понижать напряжение в очень широких пределах. Подводя высокое напряжение к контактному проводу, нетрудно понизить его с помощью трансформатора, установленного на электровозе, до оптимального по условиям работы тяговых двигателей и аппаратов.

А что, если на самом локомотиве преобразовывать переменный ток, передаваемый по контактной сети, в постоянный? Тогда к контактным проводам можно будет подводить очень высокое напряжение, на электровозе понижать его и, преобразуя переменный ток в постоянный, питать им тяговые двигатели.

Осуществить это оказалось возможным после освоения нашей промышленностью производства надежно действующих ртутных выпрямительных установок. Электровозы с ртутными выпрямителями эксплуатировали довольно долго, но они обладали многими недостатками.

Освоение массового производства кремниевых выпрямителей, значительное снижение их стоимости привело к тому, что на современных электровозах применяются исключительно полупроводниковые установки. Кремниевые вентили при значительной мощности имеют небольшую массу, малые габариты, высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.), устойчиво работают в широком диапазоне температур.

Для питания электровозов применяют однофазный ток промышленной частоты при напряжении в контактном проводе 25000 В. Железные дороги, где эксплуатируются такие электровозы, называют электрифицированными железными дорогами переменного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе переменного тока промышленной частоты. Применение системы переменного тока промышленной частоты позволило создать мощные электрические локомотивы. Протяженность дорог переменного тока в нашей стране составляет около 16 тыс. км.