Электровоз

Электровоз Шкода ЧС4-109. Поезд Москва - Одесса на Винницком вокзале .

ЧСД класса E 499.3

Siemens ES64U4 в настоящее время является подтвержденным обладателем звания самого быстрого электровоза со скоростью 357 км/ч (222 мили в час) в 2006 году.

Британский железнодорожный класс 91 на лондонском вокзале Кингс-Кросс .

Электровоз питаемый — это локомотив, электричеством от воздушных линий , третьего рельса или бортового накопителя энергии, такого как батарея или суперконденсатор . , работающими на топливе Локомотивы с бортовыми тягачами , такие как дизельные двигатели или газовые турбины , классифицируются как дизель-электрические или газотурбинно-электрические , а не как электровозы, поскольку комбинация электрогенератора и двигателя служит только системой передачи энергии .

Электровозы выигрывают от высокого КПД электродвигателей, часто превышающего 90% (не считая неэффективности выработки электроэнергии). Дополнительную эффективность можно получить за счет рекуперативного торможения , которое позволяет кинетическую энергию восстанавливать во время торможения, чтобы вернуть мощность в линию. В новых электровозах используются инверторные системы привода двигателя переменного тока, обеспечивающие рекуперативное торможение. Электровозы тихие по сравнению с тепловозами, поскольку в них нет шума двигателя и выхлопных газов, а также меньше механического шума. Отсутствие частей, совершающих возвратно-поступательное движение, означает, что электровозам легче передвигаться по пути, что сокращает расходы на техническое обслуживание пути. Мощность электростанции намного превышает мощность любого отдельного локомотива, поэтому электровозы могут иметь более высокую выходную мощность, чем тепловозы, и они могут производить еще более высокую кратковременную импульсную мощность для быстрого ускорения. Электровозы идеально подходят для пригородного сообщения с частыми остановками. Электровозы используются на грузовых маршрутах со стабильно высокими объемами перевозок или в районах с развитой железнодорожной сетью. Электростанции, даже если они горят ископаемое топливо намного чище, чем мобильные источники, такие как двигатели локомотивов. Энергия также может поступать из низкоуглеродных или возобновляемых источников , включая геотермальную энергию , гидроэлектроэнергию , биомассу , солнечную энергию , ядерную энергию и ветряные турбины . Электровозы обычно стоят на 20% дешевле тепловозов, затраты на их обслуживание на 25–35% ниже, а эксплуатация обходится до 50% дешевле.

Главный недостаток электрификации — высокая стоимость инфраструктуры: воздушных линий или третьего рельса, подстанций и систем управления. Государственная политика в США препятствует электрификации: более высокие налоги на недвижимость взимаются с частных железнодорожных объектов, если они электрифицированы. Агентство по охране окружающей среды регулирует выбросы выхлопных газов локомотивов и морских двигателей, аналогично правилам выбросов легковых и грузовых автомобилей, чтобы ограничить количество угарного газа, несгоревших углеводородов, оксидов азота и сажи, выделяемых этими мобильными источниками энергии. Поскольку железнодорожная инфраструктура в США находится в частной собственности, железные дороги не желают делать необходимые инвестиции в электрификацию. В Европе и других странах железнодорожные сети считаются частью национальной транспортной инфраструктуры, так же как дороги, автомагистрали и водные пути, поэтому часто финансируются государством. Операторы подвижного состава платят сборы в зависимости от использования железных дорог. Это делает возможными крупные инвестиции, необходимые для технически и, в долгосрочной перспективе, экономически выгодной электрификации.

История

Постоянный ток

1879 г. Экспериментальный поезд Siemens & Halske.

Электровоз EL-1 Балтиморской кольцевой линии , США, 1895 год: паровоз не был отсоединен для проезда через туннель. Воздушный проводник представлял собой стержень ∩ сечения в самой высокой точке крыши, поэтому гибкий плоский пантограф. использовался

Прототип Alco-GE класса S-1 , номер NYC и HR. 6000 (округ Колумбия)

Класс ES-2 на Милуоки-Роуд , пример более крупного с шпилем стрелочного перевода для электрифицированной железной дороги большой грузоподъемности (DC), 1916 г.

Первый известный электровоз был построен в 1837 году химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина и питался от гальванических элементов (батарей). Позже Дэвидсон построил более крупный локомотив под названием Гальвани , выставленный на выставке Королевского шотландского общества искусств в 1841 году. Семитонное транспортное средство имело два с прямым приводом реактивных двигателя и фиксированными электромагнитами, действующими на железные стержни, прикрепленные к деревянному цилиндру на каждой оси. и простые коммутаторы . Он буксировал груз массой шесть тонн со скоростью четыре мили в час (6 километров в час) на расстояние полторы мили (2,4 километра). Он был испытан на железной дороге Эдинбурга и Глазго в сентябре следующего года, но ограниченная мощность батарей помешала его широкому использованию. Его разрушили железнодорожники, которые увидели в этом угрозу своей занятости.

Первый электрический пассажирский поезд был представлен Вернером фон Сименсом в Берлине в 1879 году. Локомотив приводился в движение двигателем с последовательным возбуждением мощностью 2,2 кВт, а поезд, состоящий из локомотива и трех вагонов, развивал скорость 13 км/ч. . За четыре месяца поезд перевез 90 000 пассажиров по кольцевому пути длиной 300 метров (984 фута). Электроэнергия (150 В постоянного тока) подавалась по третьему изолированному рельсу между путями. Для сбора электричества использовался контактный ролик.

Первая в мире линия электрического трамвая открылась в Лихтерфельде недалеко от Берлина, Германия, в 1881 году. Ее построил Вернер фон Сименс (см. Трамвай Гросс-Лихтерфельде и Берлинский штрассенбан ). Электрическая железная дорога Фолька открылась в 1883 году в Брайтоне. Также в 1883 году трамваи Mödling и Hinterbrühl недалеко от Вены в Австрии открылись . Он был первым в мире, работающим на регулярной основе с питанием от воздушной линии связи. Пять лет спустя в США были впервые применены электрические троллейбусы в 1888 году на пассажирской железной дороге Ричмонд-Юнион с использованием оборудования, разработанного Фрэнком Дж. Спрэгом .

Первые электрифицированные венгерские железнодорожные линии были открыты в 1887 году. Будапешт (см.: BHÉV ): Рацкеве линия Сентендре (1887 г.), линия Гёдёллё (1888 г.), линия (1888 г.), линия Чепель (1912 г.).

Во многом раннее развитие электродвижения было обусловлено растущим использованием туннелей, особенно в городских районах. Дым от паровозов был ядовитым, и муниципалитеты все чаще склонялись к запрету их использования в пределах своих полномочий. Первой подземной линией с электрическим приводом была железная дорога Сити и Южного Лондона , создание которой было вызвано положением в ее разрешительном акте, запрещающим использование паровой энергии. Он открылся в 1890 году на электровозах, построенных Мэзером и Платтом . Электричество быстро стало предпочтительным источником питания для метро, ​​чему способствовало изобретение Спрагом системы управления составными поездами в 1897 году. Наземные и надземные системы скоростного транспорта обычно использовали пар, пока не были вынуждены перейти на него по постановлению.

Первое использование электрификации на американской магистральной линии произошло на четырехмильном участке Балтиморской поясной линии железной дороги Балтимора и Огайо (B&O) в 1895 году, соединив основную часть B&O с новой линией, ведущей в Нью-Йорк, через серию туннелей по краям центра Балтимора. Параллельные пути на Пенсильванской железной дороге показали, что угольный дым от паровозов будет серьезной эксплуатационной проблемой и неприятностью для общества. три блока Bo+Bo Первоначально использовались , модель EL-1. В южном конце электрифицированного участка; они сцепились с локомотивом и поездом и протащили его через туннели. Подъезды к железной дороге в Нью-Йорке требовали аналогичных туннелей, и там проблемы с дымом были более острыми. Столкновение в туннеле на Парк-авеню в 1902 году привело к тому, что законодательный орган штата Нью-Йорк объявил вне закона использование дымообразующих локомотивов к югу от реки Гарлем после 1 июля 1908 года. В ответ на это в 1904 году на Центральной железной дороге Нью-Йорка начали работать электровозы . В 1930-х годах Пенсильванская железная дорога , которая ввела электровозы из-за правил Нью-Йорка, электрифицировала всю свою территорию к востоку от Гаррисберга, штат Пенсильвания .

Железная дорога Чикаго, Милуоки, Сент-Пол и Тихоокеанская железная дорога ( Милуоки-роуд ), последняя построенная трансконтинентальная линия, электрифицировала свои линии через Скалистые горы и к Тихому океану, начиная с 1915 года. Несколько восточных береговых линий, особенно Вирджиния Железная дорога , а также Норфолкская и Западная железные дороги электрифицировали короткие участки своих горных переходов. Однако к этому моменту электрификация в Соединенных Штатах больше ассоциировалась с плотным городским движением, а использование электровозов сократилось из-за дизелизации. Дизель разделял некоторые преимущества электровозов перед паровыми, а также стоимость строительства и обслуживания инфраструктуры электроснабжения, что препятствовало установке новых установок и привело к отмене большей части магистральной электрификации за пределами Северо-Востока. За исключением нескольких подчиненных систем (например, железной дороги Дезерет ), к 2000 году электрификация была ограничена Северо -восточным коридором и некоторыми пригородными сообщениями; даже там грузовые перевозки осуществлялись на дизельном топливе. Развитие продолжалось в Европе, где электрификация была широко распространена. Постоянное напряжение 1500 В до сих пор используется на некоторых линиях вблизи Франции, а напряжение 25 кВ, 50 Гц, используется в высокоскоростных поездах.

Переменный ток

Первый практичный переменного тока электровоз был спроектирован Чарльзом Брауном , работавшим тогда в компании Oerlikon , Цюрих. В 1891 году Браун продемонстрировал передачу электроэнергии на большие расстояния для Международной электротехнической выставки с использованием трехфазного переменного тока между гидроэлектростанцией в Лауффен-на-Неккаре и выставочной площадкой во Франкфурте-на-Майне -Запад, на расстояние 280 км. Используя опыт, полученный им во время работы с Жаном Хейльманном над конструкциями пароэлектрических локомотивов, Браун заметил, что трехфазные двигатели имеют более высокое соотношение мощности к весу, чем двигатели постоянного тока , и из-за отсутствия коллектора их проще производить. и поддерживать. Однако они были намного больше, чем двигатели постоянного тока того времени, и их нельзя было устанавливать в подпольных тележках : их можно было перевозить только внутри кузовов локомотивов. В 1896 году компания Oerlikon установила первый коммерческий образец системы на трамвае Лугано . Каждый 30-тонный локомотив имел два двигателя мощностью 110 кВт (150 л.с.), работавших от трехфазного напряжения 750 В, 40 Гц, питаемого от двойных воздушных линий связи. Трехфазные двигатели работают с постоянной скоростью и обеспечивают рекуперативное торможение и поэтому хорошо подходят для маршрутов с крутыми уклонами; в 1899 году Браун (к тому времени в партнерстве с Вальтером Бовери ) поставил первые магистральные трехфазные локомотивы для 40-километровой железной дороги Бургдорф-Тун (высшая точка 770 метров) в Швейцарии. Первая реализация однофазного источника переменного тока промышленной частоты для локомотивов была осуществлена ​​компанией Oerlikon в 1901 году с использованием разработок Ганса Бен-Эшенбурга и Эмиля Хубер-Стокара ; установка на линии Зеебах-Веттинген Швейцарских федеральных железных дорог была завершена в 1904 году. В локомотивах массой 48 тонн, напряжением 15 кВ, 50 Гц, 345 кВт (460 л.с.), использовались трансформаторы и ротационные преобразователи для питания тяговых двигателей постоянного тока.

В 1894 году венгерский инженер Кальман Кандо разработал трехфазные асинхронные электроприводные двигатели и генераторы нового типа для электровозов компании Fives-Lille . Проекты Кандо начала 1894 года были впервые применены на коротком трехфазном трамвае переменного тока в Эвиан-ле-Бен (Франция), который был построен между 1896 и 1898 годами. В 1918 году Кандо изобрел и разработал вращающийся фазовый преобразователь , позволяющий электровозам использовать трехфазные двигатели, питаемые по одному воздушному проводу, передающему простой однофазный переменный ток промышленной частоты (50 Гц) национальных сетей высокого напряжения.

Прототип электровоза переменного тока Ganz в Вальтеллине, Италия, 1901 год.

Итальянские железные дороги первыми в мире ввели электрическую тягу на всей длине магистрали, а не только на ее небольшом участке. Линия Вальтеллина протяженностью 106 км была открыта 4 сентября 1902 года по проекту Кандо и команды завода Ганц . Электрическая система была трехфазной на 3 кВ 15 Гц. Напряжение было значительно выше использовавшегося ранее, что потребовало новых конструкций электродвигателей и коммутационных устройств. Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». В 1905 году Кандо был приглашен взять на себя управление Società Italiana Westinghouse и возглавить разработку нескольких итальянских электровозов. В период электрификации итальянских железных дорог проводились испытания того, какой тип мощности использовать: на некоторых участках было напряжение 3600 В. 16 + 2 ⁄ 3 Трехфазное питание Гц, в других было питание 1500 В постоянного тока, 3 кВ постоянного тока и 10 кВ переменного тока частотой 45 Гц. После Второй мировой войны для всей итальянской железнодорожной системы было выбрано напряжение постоянного тока 3 кВ.

Более поздней разработкой Кандо, работавшей как с Ганца заводами , так и с Societa Italiana Westinghouse , стал электромеханический преобразователь , позволяющий использовать трехфазные двигатели от однофазного переменного тока, устраняя необходимость в двух воздушных проводах. В 1923 году по проектам Кандо был построен первый в Венгрии локомотив с фазопреобразователем, и вскоре началось его серийное производство. Первая установка напряжением 16 кВ, частотой 50 Гц была установлена ​​в 1932 году на 56-километровом участке Венгерских государственных железных дорог между Будапештом и Комаромом . Это оказалось успешным, и в 1934 году электрификация была продлена до Хегешалома .

Swiss Re 420 ведет грузовой поезд по южной стороне Готардской линии , которая была электрифицирована в 1922 году. Видны мачты и линии контактной сети.

В Европе проекты электрификации изначально были сосредоточены на горных регионах по нескольким причинам: поставки угля были затруднены, гидроэлектроэнергия была легкодоступна, а электровозы обеспечивали большую тягу на более крутых трассах. Это особенно применимо в Швейцарии, где почти все линии электрифицированы. Важный вклад в более широкое внедрение тяги переменного тока внесла SNCF французская компания после Второй мировой войны . Компания провела оценку линии переменного тока промышленной частоты, проложенной через крутую долину Хелленталь в Германии, которая после войны находилась под управлением Франции. После испытаний компания решила, что характеристики локомотивов переменного тока достаточно развиты, чтобы позволить всем ее будущим установкам, независимо от местности, соответствовать этому стандарту с соответствующей более дешевой и эффективной инфраструктурой. Решение SNCF, игнорирующее 2000 миль (3200 км) высоковольтных линий постоянного тока, уже установленных на французских маршрутах, оказало влияние на стандарт, выбранный для других стран Европы.

Пикку-Пасси — небольшой электровоз компании Finlayson в Тампере , Финляндия, 1950-е годы.

В 1960-е годы произошла электрификация многих европейских магистралей. Европейские электровозные технологии неуклонно совершенствовались, начиная с 1920-х годов. Для сравнения: EP-2 класса Milwaukee Road (1918 г.) весил 240 т, имел мощность 3330 кВт и максимальную скорость 112 км/ч; в 1935 году немецкий E 18 имел мощность 2800 кВт, но весил всего 108 тонн и имел максимальную скорость 150 км/ч. 29 марта 1955 года французский локомотив CC 7107 достиг скорости 331 км/ч. В 1960 году локомотивы SJ класса Dm 3 на Шведских железных дорогах выработали рекордную мощность — 7200 кВт. В этот же период в Германии и Франции появились локомотивы, способные перевозить коммерческих пассажиров со скоростью 200 км/ч. Дальнейшие улучшения стали результатом внедрения электронных систем управления, которые позволили использовать все более легкие и мощные двигатели, которые можно было устанавливать внутри тележек (с 1990-х годов стандартизируются асинхронные трехфазные двигатели, питаемые через инверторы GTO).

В 1980-х годах развитие сверхскоростного сообщения привело к дальнейшей электрификации. Японский Синкансэн и французский TGV были первыми системами, для которых специальные высокоскоростные линии были построены с нуля. Подобные программы были предприняты в Италии , Германии и Испании ; в Соединенных Штатах единственной новой магистральной линией было расширение электрификации Северо-восточного коридора от Нью-Хейвена, штат Коннектикут , до Бостона, штат Массачусетс , хотя новые системы электрического легкорельсового транспорта продолжали строиться.

2 сентября 2006 года серийный электровоз Siemens типа Eurosprinter ES64-U4 ( ÖBB класс 1216) на новой линии между Ингольштадтом и Нюрнбергом достиг скорости 357 км/ч (222 миль в час), что является рекордом для поезда с локомотивной тягой. . Этот локомотив в настоящее время используется ÖBB в практически неизмененном виде для перевозки своего Railjet , максимальная скорость которого, однако, ограничена 230 км/ч из-за экономических и инфраструктурных проблем.

Типы

Органы управления грузовым локомотивом ВЛ80Р ОАО «РЖД» . Колесо управляет мощностью двигателя.

Электровоз, используемый на горнодобывающих предприятиях во Флин-Флоне, Манитоба . Этот локомотив выставлен на обозрение и в настоящее время не находится в эксплуатации.

Электровоз может питаться от

• Перезаряжаемые системы хранения энергии , такие как или суперконденсатором . с батарейным питанием шахтные локомотивы
• Стационарный источник, например третий рельс или воздушный провод .

Отличительными конструктивными особенностями электровозов являются:

• Тип используемой электроэнергии: переменный или постоянный ток .
• Способ хранения (батареи, ультраконденсаторы) или сбора (передачи) электрической энергии.
• Средства связи тяговых двигателей с ведущими колесами (водящими).

Постоянный и переменный ток

Самое фундаментальное различие заключается в выборе переменного или постоянного тока. Самые ранние системы использовали постоянный ток, поскольку переменный ток не был хорошо изучен, а изоляционный материал для линий высокого напряжения не был доступен. Локомотивы постоянного тока обычно работают при относительно низком напряжении (от 600 до 3000 вольт); поэтому оборудование является относительно массивным, поскольку задействованные токи велики для передачи достаточной мощности. Электроэнергию необходимо подавать через частые промежутки времени, поскольку высокие токи приводят к большим потерям в системе передачи.

По мере разработки двигателей переменного тока они стали преобладающим типом, особенно на более длинных маршрутах. Используются высокие напряжения (десятки тысяч вольт), поскольку это позволяет использовать малые токи; потери при передаче пропорциональны квадрату тока (например, удвоенный ток означает четырехкратные потери). Таким образом, большая мощность может передаваться на большие расстояния по более легким и дешевым проводам. Трансформаторы в локомотивах преобразуют эту мощность в низкое напряжение и высокий ток для двигателей. Подобную систему высокого напряжения и слабого тока нельзя было использовать с локомотивами постоянного тока, поскольку не существует простого способа сделать преобразование напряжения/тока для постоянного тока настолько эффективным, как это достигается с помощью трансформаторов переменного тока.

В тяге переменного тока до сих пор иногда используются двойные воздушные провода вместо однофазных линий. Получающийся в результате трехфазный ток приводит в действие асинхронные двигатели , которые не имеют чувствительных коммутаторов и позволяют легко реализовать рекуперативный тормоз . Скорость контролируется путем изменения количества пар полюсов в цепи статора, а ускорение контролируется путем включения или выключения дополнительных резисторов в цепи ротора. Двухфазные линии тяжелые и сложные вблизи выключателей, где фазы должны пересекать друг друга. Система широко использовалась в северной Италии до 1976 года и до сих пор используется на некоторых швейцарских зубчатых железных дорогах . Простая возможность использования отказоустойчивого электрического тормоза является преимуществом системы, тогда как контроль скорости и двухфазные линии являются проблематичными.

Шведский локомотив Rc был первым серийным локомотивом, в котором использовались тиристоры с двигателями постоянного тока.

Локомотивы с выпрямителями , в которых использовалась передача переменного тока и двигатели постоянного тока, были обычным явлением, хотя у коммутаторов постоянного тока были проблемы как при запуске, так и на низких скоростях. В современных электровозах используются бесщеточные трехфазные асинхронные двигатели переменного тока . Эти многофазные машины питаются от инверторов на базе GTO- , IGCT- или IGBT . Стоимость электронных устройств в современном локомотиве может составлять до 50% стоимости транспортного средства.

Электрическая тяга позволяет использовать рекуперативное торможение, при котором двигатели используются в качестве тормозов и становятся генераторами, преобразующими движение поезда в электрическую энергию, которая затем возвращается на линии. Эта система особенно выгодна при работе в горах, поскольку нисходящие локомотивы могут производить большую часть мощности, необходимой для восходящих поездов. Большинство систем имеют характеристическое напряжение и, в случае с переменным током, системную частоту. Многие локомотивы были оборудованы для работы с несколькими напряжениями и частотами, поскольку системы стали перекрываться или были модернизированы. Американские локомотивы FL9 были оборудованы для работы с двумя разными электрическими системами, а также могли работать как дизель-электрические.

Хотя сегодняшние системы преимущественно работают от сети переменного тока, многие системы постоянного тока все еще используются – например, в Южной Африке и Великобритании (750 В и 1500 В); Нидерланды , Япония , Ирландия (1500 В); Словения , Бельгия , Италия , Польша , Россия , Испания (3000 В) и Вашингтон, округ Колумбия (750 В).

Передача энергии

Современный полупантограф

Третий рельс на West Falls Church станции метро недалеко от Вашингтона, округ Колумбия, электрифицирован на 750 вольт. Третий рельс находится вверху изображения, над ним находится белый навес. Две нижние направляющие представляют собой обычные ходовые направляющие; ток от третьего рельса возвращается через них на электростанцию.

Смотрите также: Система электрификации железных дорог.

Электрические цепи требуют двух соединений (или для трехфазного переменного тока — трех соединений). С самого начала трасса использовалась для одной стороны трассы. В отличие от моделей железных дорог, путь обычно снабжает энергией только одну сторону, а другая сторона(и) цепи предоставляется отдельно.

Воздушные линии

Железные дороги обычно отдают предпочтение воздушным линиям , часто называемым « контактными сетями » по названию системы поддержки, используемой для удержания провода параллельно земле. Возможны три метода сбора:

• Тележка-штанга : длинная гибкая опора, которая фиксирует линию с помощью колеса или башмака.
• Луковый коллектор : рама, которая удерживает длинный собирающий стержень на проволоке.
• Пантограф : шарнирная рама, которая удерживает собирающие башмаки на проволоке в фиксированной геометрии.

Из трех методов пантограф лучше всего подходит для высокоскоростной работы. Некоторые локомотивы используют как верхний, так и третий рельсовый сбор (например, British Rail Class 92 ).В Европе рекомендуемая геометрия и форма пантографов определяются стандартом EN 50367/IEC 60486.

Третий рельс

В системах общественного транспорта и пригородных линиях вместо воздушного провода часто используется третий рельс. Она позволяет использовать туннели меньшего размера и меньший просвет под мостами, а также имеет преимущества для интенсивного движения, поскольку представляет собой очень прочную систему, не чувствительную к обрывам воздушных проводов. В некоторых системах используются четыре рельса, особенно на некоторых линиях лондонского метро. Одним из недостатков систем третьих железнодорожных путей является то, что железнодорожные переезды становятся более сложными, обычно требуя промежуточного участка.

В первоначальной электрификации железной дороги Балтимора и Огайо использовался скользящий звукосниматель ( контактный башмак или просто «башмак») в воздушном канале, и система быстро оказалась неудовлетворительной. Его заменил третий рельс , по которому пикап едет под или поверх рельса меньшего размера, параллельного основному пути, над уровнем земли. С обеих сторон локомотива имеется несколько подхватов, позволяющих компенсировать разрывы третьего рельса, необходимые для путевых работ. Эта система предпочтительна в метро из-за меньших зазоров, которые она обеспечивает.

Вождение колес

Один из Milwaukee Road EP-2. «биполярных» электриков

Во время первоначальной разработки железнодорожной электрической силовой установки был разработан ряд систем привода для передачи мощности тяговых двигателей на колеса. Ранние локомотивы часто использовали приводы с промежуточным валом . В такой конструкции тяговый двигатель установлен внутри кузова локомотива и приводит в движение промежуточный вал через набор шестерен. Эта система использовалась потому, что первые тяговые двигатели были слишком большими и тяжелыми, чтобы их можно было устанавливать непосредственно на оси. Из-за большого количества механических частей требовалось частое техническое обслуживание. От привода промежуточного вала отказались для всех агрегатов, кроме самых маленьких, когда были разработаны меньшие и более легкие двигатели.

По мере развития электровоза было разработано несколько других систем. Привод Бухли представлял собой полностью подпружиненную систему, в которой вес ведущих двигателей был полностью отделен от ведущих колес. Впервые использованный в электровозах с 1920-х годов, привод Бухли в основном использовался французской SNCF и Швейцарскими федеральными железными дорогами . Примерно в это же время был разработан пинолиный привод : тяговый двигатель устанавливался над или сбоку от оси и соединялся с осью через редуктор и полый вал - пиноль, гибко соединенный с ведущей осью. использовал Локомотив GG1 Пенсильванской железной дороги гусеничный привод. Опять же, поскольку тяговые двигатели продолжали уменьшаться в размерах и весе, гусеничные приводы постепенно вышли из моды на тихоходных грузовых локомотивах. В высокоскоростных пассажирских локомотивах, используемых в Европе, до сих пор преобладает пинольный привод.

Другим приводом была « биполярная » система, в которой якорем двигателя была сама ось, а рама и полевой узел двигателя крепились к тележке (тележке) в фиксированном положении. Двигатель имел два полюса возбуждения, что позволяло ограниченное вертикальное перемещение якоря. Эта система имела ограниченную ценность, поскольку выходная мощность каждого двигателя была ограничена. Милуоки - Биполярная электрика EP-2, используемая на роуд, компенсировала эту проблему за счет использования большого количества приводных осей.

Современные грузовые электровозы, как и их дизель-электрические аналоги, почти повсеместно используют подвешенные тяговые двигатели, по одному двигателю на каждую ведущую ось. В такой конструкции одна сторона корпуса двигателя поддерживается подшипниками скольжения, установленными на шлифованной и полированной шейке, которая является неотъемлемой частью оси. Другая сторона корпуса имеет выступ в форме язычка, который входит в соответствующую прорезь в надрессорной балке тележки (тележки), и его назначение - действовать как устройство реакции крутящего момента, а также как опора. Передача мощности от двигателя к оси осуществляется с помощью прямозубой передачи , в которой шестерня на валу двигателя входит в зацепление с шестерней на оси. Обе шестерни заключены в герметичный корпус, содержащий смазочное масло. Тип эксплуатации, в которой используется локомотив, определяет используемое передаточное число. Высокие численные коэффициенты обычно встречаются на грузовых единицах, тогда как численно низкие передаточные числа типичны для пассажирских двигателей.

Колесные механизмы

Электровоз ГГ1 ​

Система обозначений Уайта для классификации паровозов недостаточна для описания разнообразия конструкций электровозов, хотя Пенсильванская железная дорога применила классы к своим электровозам, как если бы они были паровыми. Например, класс PRR GG1 указывает на то, что он устроен как два локомотива класса G 4-6-0, соединенных друг с другом.

Система классификации UIC обычно использовалась для электровозов, поскольку она могла обрабатывать сложные конструкции приводных и неприводных осей и различать спаренные и несвязанные системы привода.

Аккумуляторный локомотив

Батарея лондонского метрополитена -электровоз на станции Вест-Хэм, используемый для перевозки инженерных поездов.

Электровоз-батарея (или локомотив-аккумулятор) питается от бортовых аккумуляторов; своего рода аккумуляторный электромобиль .

Такие локомотивы используются там, где дизельный или обычный электровоз не подходят. Примером являются ремонтные поезда на электрифицированных линиях при отключении электроэнергии. Другое применение аккумуляторных локомотивов — на промышленных объектах (например, заводах по производству взрывчатых веществ, нефте- и газоперерабатывающих заводах или химических заводах), где локомотив с двигателем внутреннего сгорания (т. е. паровой или дизельный ) может вызвать проблемы с безопасностью из-за риска возгорания. , взрыв или дым в замкнутом пространстве. Локомотивы с аккумуляторной батареей предпочтительны для шахтных железных дорог , где газ может воспламениться от с троллейным приводом, агрегатов образующих дугу на сборных башмаках, или где в цепях подачи или возврата, особенно в стыках рельсов, может возникнуть электрическое сопротивление , что может привести к опасной утечке тока в землю.

Первый электровоз, построенный в 1837 году, был аккумуляторным. Он был построен химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина в Шотландии и питался от гальванических элементов (батарей). Еще одним ранним примером был медный рудник Кеннекотт в Маккарти, Аляска , где в 1917 году подземные пути транспортировки были расширены, чтобы обеспечить возможность работы с двумя аккумуляторными локомотивами 4 + 1 ⁄ 2 коротких тонны (4,0 длинных тонны; 4,1 т). В 1928 году компания Kennecott Copper заказала четыре электровоза 700-й серии с бортовыми аккумуляторами. Эти локомотивы весили 85 коротких тонн (76 длинных тонн; 77 т) и работали на воздушном контактном проводе напряжением 750 В со значительным дальним запасом хода при работе от батарей. Локомотивы прослужили несколько десятилетий, используя никель-железных батарей технологию (Эдисона). Батареи были заменены на свинцово-кислотные , и вскоре после этого локомотивы были списаны. Все четыре локомотива были переданы в дар музеям, но один был списан. Остальные можно увидеть на железной дороге Буна и Сценик-Вэлли в Айове и в Музее Западной железной дороги в Рио-Виста, Калифорния.

Комиссия по транзиту Торонто ранее эксплуатировала в метро Торонто аккумуляторный электровоз, построенный компанией Nippon Sharyo в 1968 году и вышедший из эксплуатации в 2009 году.

Лондонский метрополитен регулярно использует аккумуляторные электровозы для проведения работ по техническому обслуживанию.

По состоянию на 2022 год На железнодорожных линиях заказаны и находятся в стадии разработки аккумуляторные локомотивы мощностью 7 и 14 МВтч.

Суперконденсаторный накопитель энергии

В 2020 году компания Zhuzhou Electric Locomotive Company , производитель систем накопления электроэнергии с использованием суперконденсаторов, первоначально разработанных для использования в трамваях , объявила, что расширяет линейку своей продукции, включив в нее локомотивы.

Электровозы по всему миру

Европа

НЭР № 1 , Музей передвижения, Шилдон

FS Class E656 , сочлененный локомотив Bo'-Bo'-Bo', легче преодолевает крутые повороты, часто встречающиеся на итальянских железных дорогах.

Британский класс 91

Электрификация широко распространена в Европе: электропоезда обычно используются в пассажирских поездах. Из-за графиков более высокой плотности эксплуатационные расходы преобладают над расходами на инфраструктуру, чем в США, а эксплуатационные расходы электровозов намного ниже, чем дизельных. Кроме того, правительства были заинтересованы в электрификации своих железнодорожных сетей из-за нехватки угля, возникшей во время Первой и Второй мировых войн.

Тепловозы имеют меньшую мощность по сравнению с электровозами при той же массе и габаритах. Например, мощность современного тепловоза British Rail Class 66 мощностью 2200 кВт в 1927 году соответствовала электрическому SBB-CFF-FFS Ae 4/7 более легкому (2300 кВт). Однако на низких скоростях тяговое усилие важнее мощности. Дизельные двигатели могут быть конкурентоспособными для медленных грузовых перевозок (как это принято в Канаде и США), но не для пассажирских или смешанных пассажиро-грузовых перевозок, как на многих европейских железнодорожных линиях, особенно там, где тяжелые грузовые поезда должны двигаться со сравнительно высокими скоростями ( 80 км/ч и более).

Эти факторы привели к высокой степени электрификации в большинстве европейских стран. В некоторых странах, например в Швейцарии, распространены даже маневровые электровозы, а многие частные подъездные пути обслуживаются электровозами. Во время Второй мировой войны , когда материалов для постройки новых электровозов не было, Швейцарские федеральные железные дороги установили электрические нагревательные элементы в котлы некоторых маневровых паровозов , питавшихся от воздушных сетей, чтобы справиться с нехваткой импортного угля.

Недавние политические события во многих европейских странах, направленные на развитие общественного транспорта, привели к очередному толчку в развитии электрической тяги. Кроме того, заделаны просветы на неэлектрифицированном пути, чтобы избежать замены электровозов на дизельные на этих участках. Необходимая модернизация и электрификация этих линий возможны благодаря финансированию железнодорожной инфраструктуры государством.

Британские электропоезда были впервые представлены в 1890-х годах, а нынешние версии обеспечивают общественный транспорт, а также существует ряд классов электровозов, таких как: Класс 76 , Класс 86 , Класс 87 , Класс 90 , Класс 91 и Класс 92 .

Россия и бывший СССР

Смотрите также: Электрификация железных дорог в Советском Союзе.

Советский электровоз ВЛ60. ^п _к (ВЛ60 ^п _к ), c. 1960

Самые мощные грузовые электровозы России: 3ЭС10 (на 3 кВ постоянного тока, 12 600 кВт) и 4ЭС5К (на 25 кВ переменного тока, 12 240 кВт)

В России и других странах бывшего Советского Союза по историческим причинам используется сочетание 3000 В постоянного тока и 25 кВ переменного тока.

Специальные «узловые станции» (около 15 на территории бывшего СССР – Владимир , Мариинск под Красноярском и др.) имеют проводку с возможностью переключения с постоянного тока на переменный. Замена локомотива на этих станциях обязательна и производится одновременно с переключением контактной проводки.

Большинство советских, чешских (СССР заказывал пассажирские электровозы у «Шкоды» ), российских и украинских локомотивов могут работать только на переменном или постоянном токе. Например, VL80 — это машина переменного тока, а VL10 — версия постоянного тока. Было несколько полуэкспериментальных небольших серий, таких как ВЛ82, которые могли переключаться с переменного тока на постоянный и использовались в небольших количествах в районе города Харькова на Украине , где на многих линиях нет узловых станций. Также новейший российский пассажирский локомотив ЭП20 и его полуэкспериментальный предшественник ЭП10 имеют сдвоенную систему.

Исторически для простоты использовалось напряжение 3000 В постоянного тока. Первый экспериментальный путь прошел в горах Грузии, затем для электропоездов были электрифицированы пригородные зоны крупнейших городов – очень выгодно из-за гораздо лучшей динамики такого поезда по сравнению с паровым, что важно для пригородного сообщения с частыми остановками. . Тогда была электрифицирована большая горная линия между Уфой и Челябинском .

Некоторое время считалось, что электрические железные дороги подходят только для пригородных или горных линий. Примерно в 1950 году было принято решение (по легенде, Иосифом Сталиным ) об электрификации высоконагруженной равнинной степной линии Омск — Новосибирск . После этого электрификация основных железных дорог напряжением 3000 В постоянного тока стала обычным явлением.

Переменный ток 25 кВ появился в СССР примерно в 1960 году, когда промышленности удалось построить локомотив с двигателем постоянного тока с проводом переменного тока на основе выпрямителя (такими были все советские и чешские локомотивы переменного тока; только постсоветские перешли на асинхронные двигатели с электронным управлением). . Первой крупной линией переменного тока стала Мариинск-Красноярск-Тайшет-Зима; последовали линии в европейской части России, такие как Москва-Ростов-на-Дону.

В 1990-х годах некоторые линии постоянного тока были переоборудованы в переменный ток, чтобы можно было использовать огромный локомотив переменного тока мощностью 10 МВт ВЛ85. Линия вокруг Иркутска — одна из них. Высвободившиеся в результате реконструкции локомотивы ДК были переданы в регион Санкт-Петербурга.

Транссибирская магистраль частично электрифицирована с 1929 года, полностью с 2002 года. Система - 25 кВ переменного тока частотой 50 Гц после узловой станции Мариинск под Красноярском, до нее - 3000 В постоянного тока, масса поездов - до 6000 тонн.

Северная Америка

Канада

Электровоз CN Boxcab выезжает из туннеля Маунт-Роял , 1989 год.

Исторически в Канаде использовались разнообразные электровозы, в первую очередь для перевозки пассажиров и грузов через плохо вентилируемые туннели. Электровозы, которые использовались в Канаде, включают St. Clair Tunnel Co. Boxcab Electric , CN Boxcab Electric и GMD GF6C . Exo в Монреале использовала ALP-45DP двухрежимные электродизельные локомотивы , чтобы локомотивы могли пересекать плохо вентилируемый туннель Маунт-Рояль . Локомотивы курсируют в электрическом режиме по всей длине линии Де-Монтань и по линии Маскуш между центральным вокзалом Монреаля и станцией Ахуншик . Локомотивы работают в дизельном режиме на оставшейся части линии Маскуш и на трех других неэлектрифицированных линиях. Однако после преобразования туннеля Mount Royal в главную линию Réseau Express Métropolitain легкого метро и постоянного сокращения линии Mascouche до станции Ahuntsic, начиная с января 2020 года, локомотивы работают исключительно в дизельном режиме.

Как и в США, гибкость тепловозов и относительно низкая стоимость их инфраструктуры позволили им преобладать, за исключением случаев, когда юридические или эксплуатационные ограничения диктуют использование электроэнергии. Это приводит к ограничению инфраструктуры электрических железных дорог и, как следствие, к ограничению количества электровозов, работающих сегодня в Канаде. По состоянию на 2021 год сегодня существует только один пример: GMD SW1200MG, электровозы эксплуатируемые канадской компанией Iron Ore Company для небольшой изолированной железной дороги, доставляющей сырую руду с рудника Кэрол Лейк на перерабатывающий завод.

В будущем в Торонто компания GO Transit планирует эксплуатировать парк новых электровозов в рамках своей инициативы Regional Express Rail . Также изучается возможность использования локомотивов на водородных топливных элементах.

Соединенные Штаты

Основная статья: Электрификация железных дорог в США

Сименс АКС-64

Электровозы используются для пассажирских поездов на Amtrak компании северо-восточном коридоре между Вашингтоном, округ Колумбия , и Бостоном , с ответвлением на Гаррисберг, штат Пенсильвания , а также на некоторых пригородных железных дорог линиях . В системах общественного транспорта и других электрифицированных пригородных линиях используются электрические многоканальные агрегаты , в которых приводится в движение каждый автомобиль. Все остальные пассажирские перевозки в дальнем следовании и, за редким исключением , все грузовые перевозки осуществляются дизель-электрическими локомотивами.

В Северной Америке гибкость тепловозов и относительно низкая стоимость их инфраструктуры позволили им преобладать, за исключением тех случаев, когда юридические или эксплуатационные ограничения диктуют использование электричества. Примером последнего является использование электровозов компанией Amtrak и пригородными железными дорогами в Северо-восточном коридоре . В нью-йоркском коридоре компаний Amtrak и New Jersey Transit используются электровозы, в настоящее время ALP-46 , из-за запрета на работу дизелей на Пенсильванском вокзале и в туннелях Гудзона и Ист-Ривер , ведущих к нему. В некоторых других поездах, идущих на Пенсильванский вокзал, используются двухрежимные локомотивы, которые также могут работать от энергии третьего рельса в туннелях и на станции.

В эпоху пара некоторые горные районы были электрифицированы, но это было прекращено. Местом замены двигателя является стык электрифицированной и неэлектрифицированной территории; таким образом, поезда Северо-восточного коридора, идущие к югу от Вашингтона, округ Колумбия, меняют там локомотивы. Поезда Северо-восточного коридора раньше делали длительные остановки в Нью-Хейвене, штат Коннектикут , из-за замены локомотивов, и эта задержка способствовала решению электрифицировать участок Северо-восточного коридора от Нью-Хейвена до Бостона в 2000 году.

Азия

Китай

Смотрите также: Список локомотивов в Китае § Электровозы

Два China Railway самолета HXD3D буксируют пассажирский поезд дальнего следования.

В Китае имеется более 100 000 километров (62 000 миль) электрифицированных железных дорог. Большинство магистральных грузовых и пассажирских поездов дальнего следования эксплуатируются с использованием электровозов большой мощности, выходная мощность которых обычно превышает 7200 киловатт (9700 л.с.). Тяжелые грузы перевозятся многосекционными локомотивами чрезвычайной мощности, мощность которых достигает 28 800 киловатт (38 600 л.с.) в серии шестисекционных электровозов «Шен 24».

Индия

Смотрите также: Локомотивы Индии § Электрические

Индийских железных дорог WAP-7 Электровоз класса

На всех магистральных электрифицированных маршрутах в Индии используется воздушная электрификация переменного тока напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц. По состоянию на март 2017 года индийские железные дороги осуществляют 85% грузовых и пассажирских перевозок электровозами, электрифицировано 45 881 км железнодорожных линий.

Япония

Японский электровоз EF65

Смотрите также: Список систем электрификации железных дорог в Японии

Япония приблизилась к полной электрификации во многом благодаря относительно небольшим расстояниям и гористой местности, что делает электроснабжение особенно экономичным вложением средств. Кроме того, соотношение грузовых и пассажирских перевозок гораздо больше ориентировано на пассажирские перевозки (даже в сельской местности), чем во многих других странах, и это помогло привлечь государственные инвестиции в электрификацию многих отдаленных линий. Однако эти же факторы заставляют операторов японских железных дорог отдавать предпочтение электропоездам электровозам. Подавляющее большинство пассажирских перевозок на электротяге в Японии осуществляется с помощью электропоездов, а электровозы используются для грузовых перевозок и некоторых перевозок на дальние расстояния.

Австралия

Квинслендские железные дороги класса 3100/3200

Железные дороги штата Виктория и государственные железные дороги Нового Южного Уэльса , которые стали пионерами электрической тяги в Австралии в начале 20-го века и продолжают эксплуатировать электропоезда постоянного тока напряжением 1500 В , отозвали свои электровозы.

В обоих штатах использование электровозов на основных междугородных маршрутах оказалось успешным. В Виктории, поскольку электрифицирована была только линия Гиппсленд , экономические преимущества электрической тяги не были полностью реализованы из-за необходимости замены локомотивов на поезда, идущие за пределами электрифицированной сети. К 1987 году Викторианские железные дороги класса L были выведены из эксплуатации. а электрификация линии Гиппсленд была демонтирована к 2004 году.

представленные Локомотивы класса 86 Нового Южного Уэльса, Новому Южному Уэльсу в 1983 году, имели относительно короткий срок службы, поскольку стоимость содержания инфраструктуры, необходимость замены локомотивов на концах электрифицированной сети и более высокие сборы, взимаемые за электроэнергию, привели к тому, что тепловозы взяли верх. обслуживает электрифицированную сеть.

Железная дорога Квинсленда осуществила электрификацию в 1980-х годах и использует более современную технологию переменного тока напряжением 25 кВ, при этом сейчас электрифицировано около 1000 км узкоколейной сети . У него есть парк электровозов для перевозки угля на экспорт, последний из которых - класс 3300/3400 мощностью 3000 кВт (4020 л.с.) .

См. также

• Пневматический тормоз (рельсовый)
• Электровозы Болдуин-Вестингауз
• Вагоны с аккумуляторным питанием
• Такси
• Чарльз Графтон Пейдж - пионер электротехники
• Электрический многоагрегатный агрегат
• Электропаровозы
• Аккумулятор электромобиля
• Эмили Давенпорт - пионер электровозов
• Локомотив Хайльмана
• Гибридный поезд
• Железнодорожные тормоза
• Система электрификации железных дорог
• Трамвай

Источники

• Даффи, Майкл С. (2003). Электрические железные дороги, 1880–1990 гг . Стивенейдж, Англия: Институт инженерии и технологий (IET). ISBN  978-0-85296-805-5 .
• Хаут, FJG (1952). Ранняя история электровоза . Ричард Тиллинг для автора. ASIN   B0007JJNNE .
• Хаут, FJG (1969). История электровоза . Джорджа Аллена и Анвина Лтд. Лондон: ISBN  978-0-04-385042-8 .
• Хаут, FJG (1970). Иллюстрированная история электровозов (1-е изд.). Публикации дуба. ISBN  978-0-498-07644-2 .
• Хаут, FJG (1970). История электровоза, том второй (1-е изд.). Южный Брансуик, Нью-Джерси: AS Barnes & Co. ISBN  978-0-498-02466-5 .
• Хаут, FJG (1977). Электровозы мира . Бартон. ISBN  978-0-85153-256-1 .
• Хаут, FJG (1981). История электровоза. Том 2 . AS Barnes & Co. ASIN   B000RAWB64 .
• Хаут, FJG (1987). История электровоза, Vol. 2: Вагоны и промышленный локомотив . AS Barnes & Co. ISBN  978-0-498-02466-5 .

Внешние ссылки

• Электрическая тяга
• Электродвигатели. Архивировано 25 сентября 2010 г. в Wayback Machine.
• Железная дорога использует энергию ветра и солнца