Влакове…
За начало ще поставим датата 20 юли 1820, когато се случило едно велико научно събитие-датският физик Ханс Кристиан Оерстед открива връзката между електричеството и магнетизма. Само 14 години по късно руският евреин Мориц Герман ще конструира първия, макар и опитен електродвигател.
За разлика от парния двигател електрическият много бързо се качва върху релси. Още през 1839 англичанинът Скот Дейвисън построява първият електрически локомотив, захранван от батерии. Локомотивът обслужва линията Глазгоу-Единбург и има тегло 5 тона, два двигателя с обща мощност 0,6 к.с. (около 450 Вт) и максимална скорост около 6,5 км/ч. По пътя към истинския електротранспорт обаче имало още много бариери. Необходим бил мощен регулируем двигател, надежден с висок коефицент на полезно действие. А освен това се разбрало че автономното захранване (от вътрешен токоизточник) няма бъдеще, защото галваничните батерии се изтощават бързо. Принципно задачата била ясна, оставало да се намери конкретното и решение.
Едва ли има нещо по объркано от детството на електродвигателя. Историята например разказва за някакъв тайнствен случай; Майкъл Фарадей получил анонимно писмо, подписано с инициалите Р.М. , където за пръв път се описвала машина с пръстеновидна котва. Фарадей публикувал писмото, но авторът му е неизвестен и до днес. Но другаде ще прочетете че това откритие принадлежи на Антонио Пачиноти (1860) и той доказва, че машината е обратима, тоест двигателят може да работи като генератор и обратно. После се наямесва и името на белгиеца Зеноб Грам, който усъвършенствал конструкцията, а след него историята съвсем се заплита. Едни твърдят, че динамомашината е дело на същия този Грам и той я демонстрирал в 1871 пред парижката академия, а други че същото е направил Вернер фон Сименс четири години по рано пред британската академия. Разбира се, не е изключено и двата факта да са достоверни, в онези времена са се случвали такива неща.
Но да оставим историята настрана. Важното е че накрая се намесва един естествен и категоричен аргумент – капиталите на Сименс.
Сименс е „Стивънсън на електрическия транспорт”, при това те имат и сходна житейска съдба. Сименс е бил образован, но беден. Стремителният му път нагоре започва през 1847, когато с механика Йохан Георг Халске основава в Берлин малка фабрика за електрически уреди. Първоначалният им капитал е 6842 пруски талера и 20 сребърни гроша, смъртта заварва Сименс с банкова сметка от 35 милиона марки. По същественото е, че той преобразява електромашинната и телеграфната техника, има десетки патенти в най различни области и създава първото качествено транспортно средство, задвижвано с електрическа енергия. Защото откривателят си е откривател, но точно Сименс прави от откритието цяла революция. И досега основаната от него фирма е една от най авторитетните в света.
Независимо от съмненията около приоритета динамомашината получава бъдещепод диригентската палка на Сименс. Второ, защото организира масово промишлено производство на такива машини и всъщност става законодател в тази област. 31 май 1879. На промишленото изложение в Берлин малък електрически локомотив разхожда посетителите по 300 метрова теснопътна пръстеновидна линия.
Локомотивът е двуосен, двигателят-двуполюсен с мощност 2,2 нВт- се захранва от Z – образна шина, монтирана между релсите, с напрежение 150 волта. Влакчето развивало скорост 12 км/ч. На кожухът гордо стои надписът „Сименс и халске”. Първата електрическа железница е факт, а начинът на захранване с отделна контактна релса и до днес се използва предимно в подземните железници (метрото).
През следващата година се появява и първият електрически трамвай в Русия, дело на Фьодор Пироцки. Вагонът бил обикновен конски трамвай. Той побирал 40 пътници и пътувал със скорост 14 км/ч. Специално за него Пироцки построил и малка електроцентрала с мощност 4,5 кВт. Естествено трамвая останал само като опитна машина и не е експлоатиран.
Не закаснява и Томас Алва Едисон. Още същата година той собственоръчно управлява в САЩ електрически локомотив, развиващ скорост 35 км/ч по една 4 километрова опитна отсечка.
Две години по късно Сименс разработва локомотивът „Доротеа”, експлоатиран в една каменовъглена мина цели 45 години. Но и той бил за теснолинеен път. Първият електрически локомотив за нормално междурелсие е дело на Лео Дафат (183) и се казвал „Ампер”.
И все пак това били по скоро опитни образци. Не може да кажем обаче същото за експлоатираната от 1895 електрическа железница между Балтимор и Охайо (САЩ). Локомотивът се захранвал с 650 волта постоянно напрежение и имал четири двигателя, всеки с мощност 1080 к.с. (794 кВт) и можел да тегли влак с тегло 1879 тона със скорост 28 км/ч.
Европа закъснява с три години – първият електрифициран участък е край Париж.
Противоречия и съмнения
През 1888 Михаил Доброволски създава първия трифазен променливотоков генератор. Започва ерата на променливия ток и везните бързо се наклоняват към него, включително и в транспорта. Защо? Използваните първоначално постоянни напрежения 500-1500 волта не могат да развият високи мощности, променливотоковата енергия може да бъде трансформирана в десетки и стотици киловолтове. Така тя може да бъде пренасяна на големи разстояния с по малки загуби и значи тяговите подстанции (така се наричат съоръженията, които захранват въздушната мрежа на транспорта) могат да бъдат на по големи разстояния една от друга.
Първа Швейцария се ориентира към локомотивите с променлив ток. Фирмата „Браун-Бовери” построява в отсечката Бургдорф –Тюн въздушна контактна мрежа за променлив ток с напрежение 750 вола и честота 40 херца. На 19 юли 1898 по тази линия тръгва първият променливотоков локомотив. Неговият двигател с мощност 220 кВт предава енергията на задвижващите колела посредством опъвателни щанги, както при парните локомотиви. Това показва колко консервативно е понякога инженерното мислене и как робува на отживели времето си представи.
През периода 1899-1903 фирмите „Сименс и Халске” и АЕГ за пръв път експериментират локомотиви с трифазен двигател. Ясно е, че такъв локомотив се захранва от тройна контактна мрежа-три проводника, опънати един над друг. Опитите се правели по военния железен път Мариенфелде – Цосен с дължина 28 км. На 28 ноември 1903 един такъв локомотив с трифазен двигател достига невероятната скорост 210 км/ч! Този рекорд остава ненадминат повече от половин век.
Тройната контактна мрежа е трудна и скъпа за прокарване. В добавка напрежението по нея не може да бъде много високо, защото между линиите прескачат електрически разряди (искри). По късно една от фазите ще бъде свързана с релсите, но и този начин за електрозахранване няма да получи разпространение – среща се само в Италия и то само до началото на 60 те години.
Постепенно електрическата тяга започва да печели привърженици. Първите десетилетия на века са време на интензивна електрификация. Докато през 1900 общата дължина на електрифицираните пътища е само 400 км, то през 1920 е вече 3000, в 1932-19 700, в 1947 -45 000, в 1970 над 100 000км.
В Русия електрификацията закъснява, макар според Ленин комунизмът да представлява „Власт на съветите плюс електрификация”. Първият електрифициран железопътен участък е Баку-Сабунци построен през 1926. Паралелно с него е разработен и първият в Русия промишлен електролокомотив наречен ДЕТ ( съкращение от руски на „Държавен електротехнически тръст”).
Локомотивът работел с постоянно напрежение 550 волта, използвано и в трамвайната мрежа. Той развивал тягово усилие 1900 кВт при скорост 25 км/ч. Серийното му производство започнало едва през 1930.
Електрическата тяга категорично доказала предимствата си, затова в началото на 1932 било решено да се произведе и магистрален (пътнически високоскоростен) електролокомотив. Констроирането и производството му продължили само 8 месеца. На 6 ноември 1932 локомотивът излязъл от цеховете на завод „Динамо” Москва. Както и си полагало по онова време локомотивът бил кръстен на вожда на прогресивното човечество ВЛ 19-01 (Владимир Ленин 19 тона на колос, пореден номер 01) и естествено бил посветен на петнайсетата годишнина от октомврийската революция.
Локомотивът работел с 3000 волта напрежение на контактната мрежа, имал 6 тягови двигателя с мощност 340 нВт всеки и развивал скорост до 85 км/ч. До 1939 били произведени 145 локомотива от този тип. През август 1932 бил произведен и първият товарен електровоз.
Докато в Русия използвали постоянно напрежение, в другите страни експериментират какви ли не системи. Германия, Швейцария и скандинавските страни предпочитат еднофазен променлив ток с напрежение 15 000 волта, но с понижена честота от 16 херца. Италия, Испания и Португалия експлоатират трифазни локомотиви, като третата фаза е свързана с релсата. През 1923 унгарският инжинер Калман Кандо създава първият електрически локомотив с трифазни асинхронни двигатели, които се захранват от еднофазна (единична) контактна мрежа. Това става посредством фазов преобразувател, познат впоследствие като „преобразувател на Кандо”. Първите локомотиви от този тип са пуснати в участъка Будапеща – Хедешхалом.
Както виждате, пълна липса на единомислие. Различните железопътни администрации търсят свои решения в зависимост от условията, енергетиката, производството на електрически машини, пък дори и от лични предпочитания. В общи линии това СМУЩАВАЩО РАЗНОСТИЛИЕ
продължава и до днес, затова ще ви запознаем с различните системи, с техните предимства и недостатъци.
Система с постоянен ток
Най добри тягови качества имат електродвигателите за постоянен ток – това трябва да се запомни. Скоростта на двигателите се регулира плавно и лесно, напрежението се подава директно от контактната мрежа без никакво допълнително преобразуване, което опростява конструкцията на локомотива. Обикновено се използва напрежение 500 волта за градски транспорт (трамваи), 1500 волта за крайградски и 3000 волта за магистрален транспорт.
Тъй като напрежението е ниско, за да се получи необходимата електрическа мощност, трябва токовете да са големи. И за да не загрява контактния проводник, той се прави с голямо сечение, значи се изразходва много метал. Освен това пренасянето на ниски напрежения е свързано с по големи загуби на енергия, затова захранващите подстанции се строят на по къси разстояния – на всеки 15-25 км. И не забравяйте, че електрическите енергийни системи са променливотокови, следователно във всяка такава подстанция трябва да има токоизправители, които да превръщат променливото напрежение в постоянно.
Система с трифазен ток
Системата изглежда удобна, защото директно се използва енергията от централите – те по правило са трифазни. Тяговите двигатели са асинхронни, които са сравнително прости, евтини и сигурни. Напрежението на контактната мрежа е от 4000 до 10 000 волта.
За недостатъка на тази система вече се каза – контактна мрежа. Тя трябва да бъде двойна (третата фаза се свързва с релсите), което я прави много скъпа, пък и между проводниците често протичат електрически разряди. Затова днес тази система не се използва.
Система с еднофазен ток с понижена честота
Използва се еднофазен променлив ток с честота 16 или 32 херца. Напрежението на контактната мрежа е 11 000 – 15 000 волта, с което се намалява сечението на проводника, а тяговите подстанции са на по големи разстояния – 50-70 км. В локомотива има понижаващ трансформатор, който сваля напрежението за тяговите двигатели до 400-600 волта.
Всички електростанции в света обаче произвеждат ток с честота 50 или 60 херца, наричана промишлена. Следователно в подстанциите трябва да се строят специални честотни преобразуватели, които са сложни и скъпи.
Има и друго, по разумно решение, да се строят електроцентрали само за железопътния транспорт, произвеждащи ток с понижена честота. Тоест железниците да разполагат със своя собствена енергийна мрежа. Захранването с понижена чистота се използва основно в Германия, САЩ, Норвегия, Швеция, Швейцария, Австрия – общо около една четвърт от електрифицираните линии по света.
Система с еднофазен ток с промишлена чистота
Напрежението в контактната мрежа обикновено е 25 000 волта, значи сечението на въздушния проводник може да е по малко (пестят се метали), а тяговите подстанции на големи разстояния (пестят се средства). Тъй като използва промишлена чистота, няма никакви преобразователи, подстанциите са опростени, в тях има само понижаващ трансформатор и не се нуждаят от постоянен надзор.
Тяговите двигатели в локомотивите обикновено са постояннотокови, защото както казахме, имат най добри характеристики. Значи трябва да се монтират токоизправители , които да изправят променливото напрежение от мрежата в постоянно за тяговите двигатели.
Тази система се възприема за най прогресивна и се възприема сред все повече страни. България започна да електрифицира пътищата си сравнително късно, през 60 те години и беше избрана именно тази система. Днес влаковете на БДЖ използват променливо напрежение с мощност 25 000 волта и 50 херца.
За да се задвижат колелата
А сега, нека надникнем в някой от тайните на електрическия железопътен транспорт.
Електрическата енергия от централата (топлинна, водна, атомна) се подава в националната мрежа с напрежение 110 000 или 220 000 волта. С такова напрежение тя идва в тяговата подстанция, където мощни трансформатори я преобразуват в напрежение 25 000 волта. Оттам тя се подава в контактната мрежа за да върши полезна работа.
Локомотивът черпи енергия от въздушния проводник посредством токоприемник (пантограф), монтиран на покрива на локомотива. По правило локомотивите имат по два пантографа, които могат да се включват и заедно, но нормално се използва само единият – задният по посока на движението, защото по малко му влияе въздушната струя. Токоприемникът трябва да контактува свободно и при най високи скорости, затова натиска проводника със сила 50-120 нютона.
Тъй като тяговите двигатели работят с ниско напрежение, на локомотива се монтира трансформатор, който понижава напрежението от 25 000 на около 1000 волта. Трансформаторът трябва да бъде регулируем, за да се изменя напрежението, подавано към двигателите. Регулирането може да става и в първичната и във вторичната му намотка. От него се вземат също напреженията за другите апарати на локомотива и за отоплението на пътническите вагони.
Напрежението от вторичната намотка се подава на изправителния блок. Доскоро се използваха живачни токоизправители, но в днешно време те са заменени с полупроводникови диоди, главно силициеви. Те имат по малки размери и тегло, по висок коефициент на полезно действие и не се нуждаят от предварително подгряване като живачните.
Последна дума в това отношение са тиристорите – също силициеви токоизправители, които обаче имат и трети електрод, наречен управляващ. Чрез него напрежението на тяговите двигатели, а значи теглителната сила и скоростта на локомотива се регулира много просто. За пръв път локомотив с теристорно регулиране е произведен от швейцарската фирма „АСЕА” през 1965.
Полученото постоянно (по точно пулсиращо) напрежение, обикновено 750 волта се подава на тяговите електродвигатели. В почти всички съвременни локомотиви всеки двигател върти своя колос. Той се закрепя директно на ходовата част (под локомотива до колелата) и предава въртящият момент със зъбни редуктори.
Разбира се, описаната схема е валидна само за локомотиви, които се захранват с променлив ток, а имат постояннотокови двигатели (каквито са локомотивите в България). Ако контактната мрежа е с постоянен ток, то локомотива няма трансформатор и изправители. Ако ли пък тяговите двигатели са променливотокови, тогава няма токоизправител.
Как се управлява локомотив
Всеки, който поне веднъж е пътувал с трамвай знае, че транспортните средства върху релси нямат кормило (волан) в буквалния смисъл на думата. Този тип превозни средства могат да се движат по един единствен път-всяко излизане от него е катастрофа. В този смисъл пътят управлява влакът.
И все пак, машинистът държи нещо което поразително прилича на волан. Този апарат се нарича контролер и с него машиниста подчинява локомотива. С контролера се командва режимът на тяговите двигатели, тръгване, скорост, спиране. Но не директно, а с множество допълнителни съоръжения, които от своя страна управляват силовите вериги. Освен това на контролера има различни блокировки срещу неправилно манипулиране, та дори и възможност да се следи състоянието на машиниста. Ако той например заспи и отпусне ръкохватката, тяговите двигатели моментално се изключват и се включват спирачките.
В момента на тръгването токът в двигателите се покачва доста над допустимата граница – това е техен характерен недостатък, а защо е така ще научите от електротехниката. За да не се рискува повреда на двигателите първоначално напрежението се подава през така нареченото пусково съпротивление, което ограничава тока. След това, с постепенното набиране на скорост започват да се изключват отделните части на това съпротивление, докато бъдат изключени напълно.
А как се регулира скоростта на локомотива? Вече горе долу разбрахте- като се изменя напрежението на двигателите. Ако тяговите двигатели са променливотокови, това е лесно – включват се различен брой навивки от трансформатора. Но как се постъпва с локомотиви с постояннотокови двигатели (каквито са повечето) ? Първата идея е отново да се използва съпротивлението. Но се знае, че токът, преминаващ през съпротивление, се превръща в топлина, както при електрическите нагреватели. Добре, но при нагревателите това е полезно, а локомотивът не е печка и няма нужда да топли световното пространство, затова регулирането с реостат е всъщност пилеене на енергия.
Използва се друга техническа хитрост. Представете си, че подаваното напрежение е 800 волта, а двигателите са четири. Първоначално те се включват последователно (един след друг), значи всеки има по 200 волта – тягата е малка, скоростта е ниска. След това двигателите се пускат два по два последователно, а двете двойки паралелно, сега на всеки двигател се падат по 400 волта – тягата нараства. Накрая и четирите двигателя се включват паралелно и на всеки е подадено напрежение 800 волта – тягата е максимална.
Вижда се, че такова регулиране само с три степени е недостатъчно. Затова на практика се използва комбинация – и регулируеми съпротивления, и различни схеми на свързване.
Регулирането може да се постигне и чрез изменение на магнитното поле в двигателя. Достатъчно е паралелно на възбудителната намотка да се включи съпротивление (нарича се шунт); тогава част от тока минава през него и тока отслабва. Но и тук съпротивления и тук пилеене на енергия. Затова модерните локомотиви използват тристорно регулиране. За тристорите вече бе говорено. За да не се навлиза в подробности е достатъчно да се спомене с тях двигателите се регулират най плавно, най лесно и с най малка загуба на енергия.
Вече разбрахме как тръгва и как набира скорост електрическият локомотив. А как спира ? Точно тук е едно от големите предимства на този тип превозни средства.
И парните и дизеловите локомотиви спират с механични спирачки – под действието на сгъстен въздух калодките (така се наричат спирачните челюсти) натискат върху бандажите на колелото и триенето си казва думата. По този начин енергията на движението се превръща във вредна топлина, пък и спирачните съоръжения се износват бързо.
Знаем, че електрическите машини са обратими – и двигатели и генератори. Затова, ако изключим двигателите на движещ се локомотив (например при нанадолнище или спиране), те заработват като генератори и връщат енергията обратно в контактната мрежа – това се нарича рекуперация. Локомотивът произвежда ток и намалява собствената си кинетична енергия, тоест започва да спира. Това се нарича електрическо спиране.
За съжаление обаче така могат да спират само постояннотоковите и някой видове променливотокови локомотиви. Останалите са принудени да използват простатно спиране – произведената енергия не се връща в мрежата за всеобща полза, а се подава на товарни съпротивления и наистина топли околното пространство. Освен това електрическото спиране е ефективно само до скорост 5 км/ч ; за да спрем локомотива напълно е там, където трябва, пак се използват традиционни спирачки.
Източник: nauka.bg