Лекция 2 План лекции 1.Технико-экономическое сравнение электрической тяги с тепловой; 2. Системы тока и напряжения, применяемые в электрической тяге 3. Силы, действующие на поезд в различные периоды движения. В мировой и отечественной практике подавляющая часть пассажирских и грузовых перевозок осуществляется тепловой и электрической тягой. Электрическая тяга является более современным видом и должна в конечном счете полностью заменить тепловую

Отсутствие запасовв топлива, малый вес на единицу мощности, централизованное электроснабжение дают электрической тяге ряд преимуществ. Основными преимуществами электрической тяги по сравнению с тепловой являются: 1. Значительная экономия топлива в том числе высокосортного (при питании от ГЭС экономия составляет 100%). 2. Отсутствие затрат на транспортирование топлива. 3. Возможность рекуперации энергии в сеть при электрическом торможении. 4. Отсутствие выделений отработанных газов. 5. Эксплуатационная надежность ТЭД, способность переносить значительные перегрузки и более простой уход за ним в сравнении с ДВС. 6. Эксплуатационные расходы при электрической тяге ниже чем при тепловой. 7. Более низкий уровень шума электрической тяги в сравнении с тепловой. 8. Возможность получения высоких динамических показателей ЭПС. 9. Одним из существенных технико-экономических преимуществ электрической тяги является ее высокий КПД. 1

КПД электрической тяги определяется произведением КПД составляющих звеньев: – КПД электрической станции (для ГЭС близок к единице) – КПД ЛЭП и районных трансформаторных подстанций (может быть принят 0,95÷0,96) – КПД тяговой подстанции (среднее значение 0,90÷0,92) – КПД тяговой сети (0,92÷0,94) – КПД электроподвижного состава (0,90) Тогда суммарный КПД электрической тяги может составлять что на порядок (в десять раз и более) превышает общий КПД тепловой тяги. Электрическая тяга исключительно применяется для подземных шахт, где использование ДВС недопустимо по соображениям вредного дыма и копоти. Кроме того весь метрополитен и ГЭТ в мире работают на электрической тяге. 2

Общие недостатки электрической тяги -зависимость работы ЭПС от состояния и надежности ТС, ТП и электрических станций; -влияние процесса токосъема и коммутации аппаратуры на работу теле и радиоустройств; -загромождение улиц, дорог и площадей тяговой сетью; -наличие блуждающих токов для рельсового электрического транспорта может вызвать коррозию подземных сооружений Однако, эти недостатки в значительной мере перекрываются преимуществами электрической тяги. В современных условиях альтернативы использования электрической тяге не существует. 3

Системы тока и напряжения, применяемые в электрической тяге В современной мировой практике используются следующие системы электрической тяги: 1. Система постоянного тока; 2. Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц 3. Система однофазного тока пониженной частоты 16 и 25 Гц 4. Система трехфазного тока. 1. Система постоянного тока до сих пор наиболее распространена во всем мире. Практически весь городской электрический транспорт (ГЭТ), метрополитен, подземный горнодобывающий и подавляющее большинство промышленного электрического транспорта работают по системе постоянного тока, а также 50 – 60% магистральных электрических железных дорог электрофицированы на постоянном токе. (см. основные элементы городской электрической дороги) 4

Номинальное напряжение на вторичных шинах ТП по ГОСТ составляет: а) для ГЭТ – 600 В; б) метрополитена – 825 В; в) электропоездов и магистральных электровозов 1650 В, 3300 В и 6600 В. Среднее же значение напряжения на токоприемниках ЭПС отличается от номинального на ВШ ТП и составляет, соответственно для разных транспортных средств – 550 В; 750 В; 1500 В; 3000 В и 6000 В. В настоящее время проектируется система постоянного тока В. Это дает возможность уменьшить сечение контактных проводов и сократить количество ТП 5

2. Система однофазного переменного тока 50 гц В данной системе 3-х фазный ток промышленной частоты преобразуется на тяговых подстанциях при помощи ТТр, понижающих напряжение сети до требуемого уровня и питающих КС однофазным током напряжением 27 кВ. На ЭПС производится дальнейшее понижение напряжения до величины, целесообразной для питания ТЭД. В зависимости от типов ТЭД, применяемых на ЭПС, данная система электрической тяги подразделяется: 2.1. Однофазно-постоянного тока; 2.2. Однофазно-многофазного тока; 2.3. С однофазными коллекторными тяговыми двигателями 6

2.1. Подсистема однофазно- постоянного тока 7

2.2. Подсистема однофазно- многофазного тока 8

2.3. Подсистема с однофазным коллекторным ТЭД Характерными особенностями системы однофазного тока 50 Гц является простота и надеж- ность ТП, однако однофазные тяговые трансформаторы на ТП создают несимметричную загрузку СЭС. Простота выполнения ТП приводит к усложнению ЭПС. 9

3. Система однофазного тока пониженной частоты В данной системе 3-х фазный ток промышлен- ной частоты преобразуется на тяговых подстанциях в однофазный ток пониженной частоты 16 Гц (либо 25 Гц) и при помощи ТТр понижается напряжение КС до 16 кВ. На ЭПС также производится понижение напряжения до уровня целесообразного для питания ОКД. 10

В данной системе электри- ческой тяги упрощается ЭПС и облегчается процесс комму- тации ОКД на пониженной ча- стоте. Вместе с тем происходит усложнение ТП. 11 ПЧ

4. Система трехфазного тока В этой системе КС выполняется двухпроводной, а рельсовая сеть служит третьим проводом. На ТП напряжение трехфазного тока понижается с помощью ТТр до уровня целесообразного для передачи энергии по КС. На ЭПС 3-х фазные АТД питаются при пониженном напряжения с помощью 3-х фазного транс- форматора. Система трехфазного тока в настоящее время признана неперспективной и ранее электрифицированные по этой системе участки постепенно переоборудуются на другие системы. 12

3. Силы, действующие на поезд в различные периоды движения Движение ЭПС по рельсовым путям или дорогам имеет сложный характер. Основное поступательное движение поезда со скоростью V вдоль оси пути неразрывно связано с вращением колесных пар, якорей ТЭД и частей движущих механизмов. На поступательное движение поезда налагаются паразитные, колебательные движения, которые возникают как из-за внешних воздействий на ЭПС со стороны пути и окружающей среды, так и вследствие взаимодействия между отдельными вагонами ТС. В последующем изложении будет рассматриваться только полезное движение ЭПС. Затраты энергии на паразитные движения учитываются лишь в целом путем некоторого увеличения сопротивления движению поезда.

Процесс движения ЭПС по участку пути характеризуется тремя режимами работы: -Режим тяги (движение с включенным ТЭД) -Режим выбега (движение с отключенным ТЭД) -Режим торможения (электрическим либо механическим способами) В режиме тяги на поезд действует сила тяги (F), создаваемая ТЭД на ободе движущего колеса, и сила сопротивления движению (W). Сила тяги F всегда совпадает с направлением движения ЭПС. Сила сопротивления движению поезда W – это равнодействующая всех сил, реально действующих на поезд и направленных навстречу движению. На преодоление равнодействующей силы сопротивления движению W затрачивается из ТС такая же энергия, как и на преодоление всех реально действующих на поезд сил. W – это эквивалент по работе, затраченной поездом на преодоление всех сил сопротивления движению. Действующая на поезд сила в режиме тяги равна: (2.2) 14

Режим выбега – движение с отключенным ТЭД (F=0). В этом случае движение происходит за счет кинетической энергии, накопленной поездом в режиме тяги (при разгоне) и носит в общем случае замедленный характер. Действующая на поезд сила равна силе сопротивления движению Режим торможения – на поезд действует сила сопротивления движению W и тормозная сила B, направленная всегда против движения поезда, следовательно (2.3) (2.4) 15

Тормозная сила (B) при электрическом ее происхождении создается тяговыми двигателями, обращенными в генераторный режим, а при механической природе, тормозная сила создается тормозными устройствами поезда. Характер движения поезда определяется величиной и направлением действующей силы Fд. Если Fд>0, скорость ЭПС возрастает V>0 и Если Fд 0 и Если Fд=0, что соответствует равномерному движению поезда с установившейся скоростью V=Vу, либо состоянию покоя V=0 16