Стремление повысить энергетические характеристики, увеличить коэффициент полезного действия, уменьшить потери напряжения в тяговых сетях, снизить сечения проводов контактной сети и расстояния между подстанциями, привели к появлению системы тяги переменного тока промышленной частоты, упрощенная схема которой приведена на рис. 1. При этом энергия к ЭПС передается высоким напряжением – 25 кВ, что существенно увеличивает нагрузочную способность такой системы. Однако ТЭД ЭПС может быть использован лишь на напряжение 1500…2000 В. Поэтому на ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие трансформаторы с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца сороковых годов и вплоть до начала семидесятых, эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока.
Рис. 1. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кв. На рисунке А, В, С – фазы питающей ЛЭП; ВН – обмотка высокого напряжения; Р – обмотка для питания нетяговых (районных) потребителей; Т – тяговая обмотка трансформатора; НВ – нейтральная вставка контактной сети; К – контактная сеть; ЭПС – электроподвижной состав; Iкс – ток в контактной сети; Iэ – ток электровоза; Ip –ток в рельсах; Iз – ток, стекающий в землю с рельсов; I рф- ток рельсового фидера (отсоса), возвращающийся на тяговую подстанцию, образуя замкнутый контур
В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.
Способы регулирования скорости движения ЭПС переменного тока
.
Поскольку на электровозах переменного тока используются коллекторные двигатели пульсирующего тока, то и способы регулирования скорости их вращения аналогична способам регулирования на электровозах постоянного тока. Изменение скорости вращения тяговых двигателей осуществляется:
- путем подачи на зажимы двигателей различного по величине напряжения;
- путем уменьшения потока возбуждения тяговых двигателей (ослабление поля путем шунтирования обмотки возбуждения).
Возможность получать регулируемое напряжение путем изменения кэффициента трансформации трансформатора, позволяет отказаться от комбинированных схем соединения тяговых двигателей, как это имеет место на электровозах постоянного тока. Кроме того, на электровозах переменного тока типа ВЛ-80Р, ВЛ-85, ВЛ-65 имеется возможность регулирования среднего за период питающего напряжения путем задержки момента открытия тиристоров преобразователей. Однако последний способ регулирования напряжения приводит к значительному искажению формы кривых тока и напряжения, что вызывает необходимость принятия специальных мер по снижению отрицательных последствий.
Регулирование скорости движения ЭПС с асинхронными двигателями.
На сегодняшний день ЭПС с асинхронными двигателями могут использоваться в системах тяги переменного и постоянного тока. Питание тяговых асинхронных двигателей в обоих случаях осуществляется от преобразователей числа фаз и частоты электрического тока. Известно [], что скорость вращения асинхронных двигателей определяется выражением
,
где
— частота питающего тока, Гц;
— число пар полюсов двигателя.
Для целей регулирования могут использоваться две возможности – изменение частоты или числа пар полюсов. Однако во втором случае регулирование является ступенчатым, а двигатель становится более сложным. Поэтому при наличии преобразователя предпочтение отдается первому способу регулирования.
Достоинства и недостатки системы тяги промышленной частоты.
Система тяги переменного тока промышленной частоты имеет преимущества по сравнению с системой тяги постоянного тока, определяемые высоким уровнем напряжения в тяговой сети, что даже при увеличенных примерно в 2… 2.5 раза расстояниях между подстанциями приводит:
1. к сокращению использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2 – 3 раза;
2. к уменьшению потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения.
Основным недостатком этой системы является: значительное влияние переменного магнитного поля проводов контактной сети на прилегающие к железной дороге устройства. Это объясняется тем, что электромагнитное поле тока контактной сети практически не компенсируется электромагнитным полем обратного тока рельсов во – первых, в силу того что между этими элементами большое расстояние (порядка 6.5 м) и, во вторых, ток в рельсах во много раз меньше тока контактной сети вследствие его стекания с рельсов в землю (см. рис. 1). Другими серьезными недостатком системы тяги переменного тока 25 кВ промышленной частоты являются низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением, искажение форм кривых тока и напряжения, несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы.
Для снижения отрицательных последствий, вызванных этими недостатками, приходится принимать ряд дополнительных мер:
- Защита смежных линий от электромагнитного влияния осуществляется путем замены воздушных линий связи кабельными.
- Компенсация реактивной энергии индуктивного характера осуществляется батареями конденсаторов (устройствами компенсациями реактивной мощности).
- Для уменьшения степени несимметрии применяются устройства симметрирования токов по фазам.
- Для снижения отрицательного воздействия высших гармоник применяются фильтры, корректирующие формы кривых токов и напряжения.
Система тяги переменного тока 50 кВ.
Одной из разновидностей системы тяги переменного тока является система тяги промышленной частоты 50 Гц с напряжением в контактной сети 50 кВ. В этом случае принципиальная схема системы тяги такая же, как и в случае системы тяги 50 Гц 25 кВ. Однако отличительным признаком такой системы является специальный электроподвижной состав, имеющий номинальное напряжение 50 кВ. Поскольку при прочих равных условиях энергия к ЭПС передается вдвое большим напряжением, то потери электроэнергии и напряжения в такой системе заметно ниже, чем в системе электрической тяги 50 Гц 25 кВ. Такие системы эксплуатируются на рудовозных направлениях в США и ЮАР.
Система тяги переменного тока с коаксиальным кабелем.
Система электроснабжения на переменном токе характеризуется проявлением значительной индуктивности воздушных линий, в том числе и тяговой сети. Это приводит к заметным потерям напряжения от подстанций до электроподвижного состава. Уровень напряжения снижается и в ряде случаев не обеспечивает соблюдение требований нормативных документов, регламентирующих уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава дорог переменного тока не менее 21 кВ (в исключительных случаях — 19 кВ). Этому показателю уделяется большое внимание, поскольку уровень напряжения определяет пропускную способность электрических железных дорог. Однако если вместо воздушной линию выполнить кабельной, то потери напряжения могут быть снижены. Система с использованием в качестве усиления коаксиальный кабель приведена на рис. 2. Меньшие потери напряжения при такой системе обусловлены тем, что кабель обладает значительно большей зарядной емкостью, компенсирующей индуктивную мощность. Если кабель с центральной проводящей жилой и проводящей оболочкой, изолированной от центральной жилы (так называемый коаксиальный кабель), подвесить на опорах контактной сети, то можно передавать, при прочих равных условиях, энергию с меньшими потерями напряжения и мощности. Но в этом случае встает вопрос отбора мощности из кабеля к ЭПС. Для его решения через определенные расстояния через специальные муфты мощность отбирается из кабеля и отпайками передается в контактную сеть. При этом контактная сеть может быть выполнена без привлечения дефицитной меди, а из бронзы, поскольку в этом случае она не является централизованным поставщиком энергии, а передает мощность лишь ограниченному числу ЭПС.
Рис. 2. Система электроснабжения переменного тока с коаксиальным кабелем
Недостатком этой системы является сложность сооружения достаточно частых устройств отбора мощности (муфт).
Рассмотренная система характеризуется малым электромагнитным влиянием на смежные электрические линии, которые могут иметь место вдоль железной дороги, вследствие уравновешенности магнитных полей “прямого” и “обратного” токов.
Система тяги переменного тока с использованием экранирующих проводов.
Значительно проще реализовать систему электрической тяги с тяговой сетью малого индуктивного сопротивления при помощи так называемых экранирующих проводов.
Рис. 3 а). Система тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом
Рис. 3 б). Схема размещения проводов системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом
Идея такой системы заключается в том, что стараются ток, возвращающийся от ЭПС к подстанции, пропускать не по рельсам, а по специальному (экранирующему) проводу, который в этом случае соединяется с рельсами через строго определенные расстояния. При этом экранирующий провод располагают как можно ближе к контактной подвеске. Это способствует уменьшению индуктивного сопротивления, поскольку магнитное поле контактной подвески максимально компенсируется магнитным полем экранирующего провода, ток в котором протекает в противоположном направлении. Схема системы тяги с экранирующим усиливающим (УЭП) проводом приведена на рис. 3. Вторым преимуществом этой системы является также как и в случае системы с коаксиальным кабелем малое электромагнитное влияние на смежные электрические линии.
Разработанная в РГУПСс (РИИЖТс) совместно с Северо-Кавказской железной дорогой в 1975 году эта система в дальнейшем была усовершенствована сотрудниками ВНИИЖТа, МИИТа, Трансэлектропроекта. В 1990 году было оборудовано 560 км на Северо-Кавказской и на Горьковской железных дорогах. Опыт эксплуатации подтверждает достоинства системы. Особенно велика эффективность системы ЭУП для высокоскоростных магистралей. С начала 90-х годов такая система стала использоваться за рубежом (Германия, Испания). Особенно интенсивно она внедряется в Германии на линиях Ганновер-Вюрцбург и Мангейм-Штутгарт с высокоскоростными экспрессами IСЕ.
Система (УЭП) для железных дорог России выгодна не только применительно к скоростным пассажирским магистралям (Санкт-Петербург-Москва и др.), но и как энергосберегающая — на железных дорогах с грузовым движением.