Электровоз — это локомотив, работающий на электричестве от контактных линий , третьего рельса или бортового накопителя энергии, такого как аккумулятор или суперконденсатор . Локомотивы с бортовыми первичными двигателями , работающими на топливе, такими как дизельные двигатели или газовые турбины , классифицируются как дизель-электрические или газотурбинные электрические , а не как электровозы, поскольку комбинация электрогенератора/двигателя служит только в качестве системы передачи энергии .
Электровозы выигрывают от высокой эффективности электродвигателей, часто превышающей 90% (не включая неэффективность выработки электроэнергии). Дополнительная эффективность может быть получена от рекуперативного торможения , которое позволяет восстанавливать кинетическую энергию во время торможения, чтобы вернуть мощность на линию. Более новые электровозы используют системы привода двигателя переменного тока-инвертора, которые обеспечивают рекуперативное торможение. Электровозы тихие по сравнению с тепловозами, поскольку нет шума двигателя и выхлопных газов и меньше механического шума. Отсутствие возвратно-поступательных частей означает, что электровозы легче на пути, что снижает техническое обслуживание пути. Мощность электростанции намного больше, чем у любого отдельного локомотива, поэтому электровозы могут иметь более высокую выходную мощность, чем тепловозы, и они могут производить даже более высокую кратковременную импульсную мощность для быстрого ускорения. Электровозы идеально подходят для пригородных железнодорожных перевозок с частыми остановками. Электровозы используются на грузовых маршрутах с постоянно высокими объемами движения или в районах с развитыми железнодорожными сетями. Электростанции, даже если они сжигают 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 , атомную энергию и ветряные турбины . [1] Электровозы обычно стоят на 20% меньше, чем тепловозы, расходы на их техническое обслуживание на 25–35% ниже, а эксплуатационные расходы на 50% ниже. [2]
Главным недостатком электрификации является высокая стоимость инфраструктуры: воздушные линии или третий рельс, подстанции и системы управления. Влияние этого варьируется в зависимости от местных законов и правил. Например, государственная политика в США препятствует электрификации: на частные железнодорожные объекты налагаются более высокие налоги на имущество, если они электрифицированы. [ требуется ссылка ] Агентство по охране окружающей среды регулирует выбросы выхлопных газов на локомотивах и судовых двигателях, аналогично правилам выбросов легковых и грузовых автомобилей, чтобы ограничить количество оксида углерода, несгоревших углеводородов, оксидов азота и сажи, выделяемой этими мобильными источниками энергии. [3] 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, как и дороги, автомагистрали и водные пути, поэтому часто финансируются государством. [ требуется ссылка ] Операторы подвижного состава платят сборы в зависимости от использования железной дороги. Это делает возможными крупные инвестиции, необходимые для технически, а в долгосрочной перспективе и экономически выгодной электрификации.
Первый известный электровоз был построен в 1837 году химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина , и он работал на гальванических элементах (батареях). Позже Дэвидсон построил более крупный локомотив под названием Galvani , выставленный на выставке Королевского шотландского общества искусств в 1841 году. Семитонное транспортное средство имело два прямоприводных реактивных двигателя с фиксированными электромагнитами, действующими на железные стержни, прикрепленные к деревянному цилиндру на каждой оси, и простые коммутаторы . Он тянул груз в шесть тонн со скоростью четыре мили в час (6 километров в час) на расстояние в 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. Он был уничтожен железнодорожниками, которые увидели в нем угрозу своей безопасности на работе. [4] [5] [6]
Первый электрический пассажирский поезд был представлен Вернером фон Сименсом в Берлине в 1879 году. Локомотив приводился в движение двигателем последовательного возбуждения мощностью 2,2 кВт, а поезд, состоящий из локомотива и трех вагонов, развивал скорость 13 км/ч. В течение четырех месяцев поезд перевез 90 000 пассажиров по кольцевому пути длиной 300 метров (984 фута). Электричество (150 В постоянного тока) подавалось по третьему изолированному рельсу между путями. Для сбора электроэнергии использовался контактный ролик.
Первая в мире электрическая трамвайная линия открылась в Лихтерфельде недалеко от Берлина, Германия, в 1881 году. Она была построена Вернером фон Сименсом (см. Gross-Lichterfelde Tramway и Berlin Straßenbahn ). Volk's Electric Railway открылась в 1883 году в Брайтоне. Также в 1883 году открылся трамвай Mödling and Hinterbrühl недалеко от Вены в Австрии. Это был первый в мире регулярный трамвай, работающий от воздушной линии. Пять лет спустя в США электрические трамваи были впервые использованы в 1888 году на Richmond Union Passenger Railway , используя оборудование, разработанное Фрэнком Дж. Спрагом . [7]
Первые электрифицированные венгерские железнодорожные линии были открыты в 1887 году. Будапешт (см.: BHÉV ): линия Рацкеве (1887 г.), линия Сентендре (1888 г.), линия Гёдёллё (1888 г.), линия Чепель (1912 г.). [8]
Большая часть раннего развития электровозов была обусловлена растущим использованием туннелей, особенно в городских районах. Дым от паровозов был вредным, и муниципалитеты все чаще были склонны запрещать их использование в пределах своих границ. Первой электрифицированной подземной линией была железная дорога Сити и Южного Лондона , создание которой было вызвано пунктом в ее законе о разрешении, запрещающим использование паровой энергии. [9] Она открылась в 1890 году, используя электровозы, построенные Мазером и Платтом . Электричество быстро стало предпочтительным источником питания для метрополитенов, чему способствовало изобретение Спрагом многосекционного управления поездами в 1897 году. Наземные и надземные скоростные транзитные системы обычно использовали пар, пока не были вынуждены перейти на него по указу.
Первое использование электрификации на американской магистральной линии было на четырехмильном участке Baltimore Belt Line железной дороги Baltimore and Ohio Railroad (B&O) в 1895 году, соединяющем основную часть B&O с новой линией в Нью-Йорк через ряд туннелей по краям центра Балтимора. Параллельные пути на Пенсильванской железной дороге показали, что угольный дым от паровозов будет серьезной эксплуатационной проблемой и общественным неудобством. Первоначально использовались три единицы Bo+Bo , модель EL-1. На южном конце электрифицированного участка; они прицеплялись к локомотиву и поезду и тянули его через туннели. [10] Железнодорожные въезды в Нью-Йорк требовали аналогичных туннелей, и проблемы дыма там были более острыми. Столкновение в туннеле Парк-авеню в 1902 году привело к тому, что законодательный орган штата Нью-Йорк запретил использование дымогенерирующих 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 ( дорога Милуоки ), последняя трансконтинентальная линия, которая была построена, электрифицировала свои линии через Скалистые горы и к Тихому океану, начиная с 1915 года. Несколько линий Восточного побережья, в частности Виргинская железная дорога и Норфолкская и Западная железная дорога , электрифицировали короткие участки своих горных переходов. Однако к этому моменту электрификация в Соединенных Штатах была больше связана с плотным городским движением, и использование электровозов сократилось из-за дизелизации. [11] Дизель разделял некоторые преимущества электровозов по сравнению с паром, а стоимость строительства и обслуживания инфраструктуры электроснабжения, которая препятствовала новым установкам, привела к ликвидации большей части электрификации основных линий за пределами Северо-Востока. За исключением нескольких подчиненных систем (например, железной дороги Дезерет Пауэр ), к 2000 году электрификация была ограничена Северо -восточным коридором и некоторыми пригородными перевозками; даже там грузовые перевозки осуществлялись с помощью дизельного топлива. Развитие продолжилось в Европе, где электрификация получила широкое распространение. Напряжение постоянного тока 1500 В все еще используется на некоторых линиях около Франции, а напряжение 25 кВ 50 Гц используется на высокоскоростных поездах. [6]
Первый практический электровоз переменного тока был разработан Чарльзом Брауном , тогда работавшим на Oerlikon , Цюрих. В 1891 году Браун продемонстрировал передачу электроэнергии на большие расстояния для Международной электротехнической выставки , используя трехфазный переменный ток , между гидроэлектростанцией в Лауффене-на-Неккаре и выставочной площадкой во Франкфурте-на-Майне Западном, на расстояние 280 км. Используя опыт, полученный им во время работы с Жаном Хайльманном над проектами паровозов, Браун заметил, что трехфазные двигатели имеют более высокое отношение мощности к весу, чем двигатели постоянного тока , и из-за отсутствия коммутатора их проще производить и обслуживать. [i] Однако они были намного больше двигателей постоянного тока того времени и не могли быть установлены в подпольных тележках : их можно было перевозить только внутри кузовов локомотивов. [13] В 1896 году Oerlikon установил первый коммерческий образец системы на трамвае Лугано . Каждый 30-тонный локомотив имел два двигателя мощностью 110 кВт (150 л. с.), работавшие от трехфазного тока напряжением 750 В и частотой 40 Гц, питавшегося от двух воздушных линий. Трехфазные двигатели работают с постоянной скоростью и обеспечивают рекуперативное торможение , поэтому они хорошо подходят для крутых трасс; в 1899 году компания Brown (к тому времени в партнерстве с Вальтером Бовери ) поставила первые трехфазные локомотивы для магистральной железной дороги Бургдорф-Тун протяженностью 40 км (самая высокая точка 770 метров), Швейцария. Первое внедрение однофазного переменного тока промышленной частоты для локомотивов было осуществлено компанией Oerlikon в 1901 году с использованием конструкций Ганса Бен-Эшенбурга и Эмиля Хубер-Штокара ; Монтаж на линии Зеебах-Веттинген Швейцарских федеральных железных дорог был завершен в 1904 году. Локомотивы 15 кВ, 50 Гц, 345 кВт (460 л. с.), 48 тонн использовали трансформаторы и вращающиеся преобразователи для питания тяговых двигателей постоянного тока. [14]
В 1894 году венгерский инженер Кальман Кандо разработал новый тип 3-фазных асинхронных электродвигателей и генераторов для электровозов в компании Fives-Lille . Ранние разработки Кандо 1894 года были впервые применены в коротком трехфазном трамвае переменного тока в Эвиан-ле-Бен (Франция), который был построен между 1896 и 1898 годами. [15] [16] [17] [18] [19] В 1918 году [20] Кандо изобрел и разработал роторный фазовый преобразователь , позволяющий электровозам использовать трехфазные двигатели, питаемые через один воздушный провод, несущий простую промышленную частоту (50 Гц) однофазного переменного тока высоковольтных национальных сетей. [21]
Итальянские железные дороги были первыми в мире, кто ввел электрическую тягу на всей длине магистрали, а не только на коротком участке. 106-километровая линия Вальтеллина была открыта 4 сентября 1902 года, спроектированная Кандо и командой из Ganz Works . [22] [21] Электрическая система была трехфазной на 3 кВ 15 Гц. Напряжение было значительно выше, чем использовалось ранее, и потребовались новые конструкции электродвигателей и коммутационных устройств. [23] [24] Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». Кандо был приглашен в 1905 году взять на себя управление Società Italiana Westinghouse и руководил разработкой нескольких итальянских электровозов. [23] В период электрификации итальянских железных дорог проводились испытания относительно того, какой тип энергии использовать: на некоторых участках было 3600 В 16+2 ⁄ 3 Гц трехфазное питание, в других случаях было 1500 В постоянного тока, 3 кВ постоянного тока и 10 кВ переменного тока 45 Гц. После Второй мировой войны для всей итальянской железнодорожной системы было выбрано питание 3 кВ постоянного тока. [25]
Более поздняя разработка Кандо, работавшая как с заводами Ганца , так и с Societa Italiana Westinghouse , представляла собой электромеханический преобразователь , позволяющий использовать трехфазные двигатели из однофазного переменного тока, устраняя необходимость в двух воздушных проводах. [26] В 1923 году на основе проектов Кандо был построен первый в Венгрии локомотив с фазовым преобразователем, и вскоре после этого началось его серийное производство. Первая установка на 16 кВ 50 Гц состоялась 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 Хедьешхалома . [27]
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 линиях. Это было особенно актуально в Швейцарии, где почти все линии электрифицированы. Важный вклад в более широкое внедрение тяги переменного тока внесла французская SNCF после Второй мировой войны . Компания оценила линию переменного тока промышленной частоты, проложенную через крутую долину Хёлленталь , Германия, которая после войны находилась под французским управлением. После испытаний компания решила, что производительность локомотивов переменного тока была достаточно развита, чтобы позволить всем ее будущим установкам, независимо от местности, соответствовать этому стандарту с ее связанной с этим более дешевой и эффективной инфраструктурой. [28] Решение SNCF, проигнорировавшее 2000 миль (3200 км) высоковольтного постоянного тока, уже установленного на французских маршрутах, оказало влияние на стандарт, выбранный для других стран Европы. [28]
.jpg/1280px-Finlaysonin_s%C3%A4hk%C3%B6veturi_Pikku-P%C3%A4ssi_1950-luvulla._Kuva_Vapriikin_kuva-arkisto._(16408774116).jpg)
В 1960-х годах произошла электрификация многих европейских магистралей. Европейская технология электровозов неуклонно совершенствовалась с 1920-х годов. Для сравнения, Milwaukee Road class EP-2 (1918) весил 240 тонн, 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 Class Dm 3 на шведских железных дорогах выработали рекордные 7200 кВт. Локомотивы, способные осуществлять коммерческие пассажирские перевозки со скоростью 200 км/ч, появились в Германии и Франции в тот же период. Дальнейшие усовершенствования 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 стандартом стали асинхронные трехфазные двигатели, питаемые через инверторы GTO).
В 1980-х годах развитие высокоскоростного обслуживания привело к дальнейшей электрификации. Японский Shinkansen и французский TGV были первыми системами, для которых были построены выделенные высокоскоростные линии с нуля. Аналогичные программы были реализованы в Италии , Германии и Испании ; в Соединенных Штатах единственным новым основным обслуживанием было расширение электрификации по Северо-восточному коридору от Нью-Хейвена, Коннектикут , до Бостона, Массачусетс , хотя новые электрические системы легкорельсового транспорта продолжали строиться.
2 сентября 2006 года стандартный электровоз Siemens типа Eurosprinter ES64-U4 ( ÖBB Class 1216) развил скорость 357 км/ч (222 мили/ч), что является рекордом для поезда с локомотивной тягой, на новой линии между Ингольштадтом и Нюрнбергом. [29] Этот локомотив в настоящее время используется ÖBB в основном без модификаций для перевозки своего Railjet , максимальная скорость которого, однако, ограничена 230 км/ч из-за экономических и инфраструктурных проблем.
Электровоз может получать электроэнергию от
Отличительными конструктивными особенностями электровозов являются:
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 высоковольтных линий отсутствовал. Локомотивы постоянного тока обычно работают при относительно низком напряжении (от 600 до 3000 вольт); поэтому оборудование относительно массивное, поскольку задействованные токи велики для передачи достаточной мощности. Электроэнергия должна подаваться с частыми интервалами, поскольку высокие токи приводят к большим потерям в системе передачи.
По мере развития двигателей переменного тока они стали преобладающим типом, особенно на более длинных маршрутах. Высокие напряжения (десятки тысяч вольт) используются, поскольку это позволяет использовать низкие токи; потери при передаче пропорциональны квадрату тока (например, удвоение тока означает четырехкратные потери). Таким образом, высокая 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. [30] Подобная система высокого напряжения и низкого тока не может использоваться с локомотивами постоянного тока, поскольку нет простого способа сделать преобразование напряжения/тока для постоянного тока столь же эффективно, как это достигается трансформаторами переменного тока.
Тяга переменного тока иногда использует двойные воздушные провода вместо однофазных линий. Получающийся трехфазный ток приводит в действие асинхронные двигатели , которые не имеют чувствительных коммутаторов и позволяют легко реализовать рекуперативный тормоз . Скорость регулируется путем изменения количества пар полюсов в цепи статора, а ускорение контролируется путем включения или выключения дополнительных резисторов в цепь ротора. Двухфазные линии тяжелы и сложны вблизи переключателей, 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 осуществимость отказоустойчивого электрического тормоза является преимуществом системы, в то время как управление скоростью и двухфазные линии проблематичны.
Локомотивы с выпрямителями , которые использовали передачу переменного тока и двигатели постоянного тока, были распространены, хотя коммутаторы постоянного тока имели проблемы как при запуске, так и на низких скоростях. [ необходимо дополнительное объяснение ] Современные передовые электровозы используют бесщеточные трехфазные асинхронные двигатели переменного тока . Эти многофазные машины питаются от инверторов на основе GTO , IGCT или IGBT . Стоимость электронных устройств в современном локомотиве может составлять до 50% от стоимости транспортного средства.
Электрическая тяга позволяет использовать рекуперативное торможение, при котором двигатели используются в качестве тормозов и становятся генераторами, преобразующими движение поезда в электроэнергию, которая затем подается обратно в линии. Эта система особенно выгодна при работе в горных условиях, поскольку спускающиеся локомотивы могут вырабатывать большую часть мощности, необходимой для поднимающихся поездов. Большинство систем имеют характерное напряжение и, в случае переменного тока, 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 питанием от двух разных электрических систем и также могли работать как дизель-электрические.
Хотя современные системы в основном работают на переменном токе, многие системы постоянного тока все еще используются, например, в Южной Африке и Великобритании (750 В и 1500 В); Нидерландах , Японии , Ирландии (1500 В); Словении , Бельгии , Италии , Польше , России , Испании (3000 В) и Вашингтоне, округ Колумбия (750 В).
Электрические цепи требуют двух соединений (или для трехфазного переменного тока , трех соединений). С самого начала рельсы использовались для одной стороны цепи. В отличие от модельных железных дорог рельсы обычно питают только одну сторону, другая сторона(и) цепи обеспечивается отдельно.
Железные дороги обычно предпочитают воздушные линии , часто называемые « цепными » по названию опорной системы, которая удерживает провод параллельно земле. Возможны три метода сбора:
Из трех, метод пантографа лучше всего подходит для высокоскоростной работы. Некоторые локомотивы используют как надземный, так и третий рельсовый сбор (например, British Rail Class 92 ). В Европе рекомендуемая геометрия и форма пантографов определяются стандартом EN 50367/IEC 60486 [31]
В системах общественного транспорта и пригородных линиях часто используется третий рельс вместо контактного провода. Это позволяет использовать меньшие туннели и меньший просвет под мостами, а также имеет преимущества для интенсивного движения, поскольку это очень прочная система, нечувствительная к обрыву контактных проводов. В некоторых системах используется четыре рельса, особенно на некоторых линиях лондонского метрополитена. Одним из недостатков систем с третьим рельсом является то, что переезды становятся более сложными, обычно требуя разделительного участка.
Первоначальная электрификация железной дороги Балтимор и Огайо использовала скользящий пикап ( контактный башмак или просто «башмак») в надземном канале, система, которая быстро оказалась неудовлетворительной. Она была заменена третьим рельсом , в котором пикап едет под или поверх меньшего рельса параллельно главному пути, над уровнем земли. По обеим сторонам локомотива имеется несколько пикапов для того, чтобы компенсировать разрывы в третьем рельсе, требуемые путевыми работами. Эта система предпочтительна в метрополитене из-за близких зазоров, которые она обеспечивает.
В ходе первоначальной разработки железнодорожной электрической тяги было разработано несколько систем привода для соединения выходной мощности тяговых двигателей с колесами. Ранние локомотивы часто использовали приводы промежуточного вала . В этой конструкции тяговый двигатель монтируется внутри корпуса локомотива и приводит в движение промежуточный вал через набор шестерен. Эта система была использована, потому что первые тяговые двигатели были слишком большими и тяжелыми для установки непосредственно на оси. Из-за количества задействованных механических частей требовалось частое техническое обслуживание. Привод промежуточного вала был отменен для всех, кроме самых маленьких единиц, когда были разработаны более мелкие и легкие двигатели,
Несколько других систем были разработаны по мере развития электровозов. Привод Buchli был полностью подпружиненной системой, в которой вес приводных двигателей был полностью отсоединен от ведущих колес. Впервые использованный в электровозах с 1920-х годов, привод Buchli в основном использовался французской SNCF и швейцарскими федеральными железными дорогами . Привод пинольного типа также был разработан примерно в это же время и устанавливал тяговый двигатель выше или сбоку от оси и соединялся с осью через редуктор и полый вал — пинольный тип — гибко соединенный с ведущей осью. Локомотив GG1 Пенсильванской железной дороги использовал привод пинольного типа. Опять же, поскольку тяговые двигатели продолжали уменьшаться в размерах и весе, приводы пинольного типа постепенно вышли из употребления в низкоскоростных грузовых локомотивах. В высокоскоростных пассажирских локомотивах, используемых в Европе, привод пинольного типа по-прежнему преобладает.
Другим приводом была « биполярная » система, в которой якорь двигателя был самой осью, а рама и полевой узел двигателя были прикреплены к тележке (тележке) в фиксированном положении. Двигатель имел два полевых полюса, что позволяло ограниченное количество вертикальных перемещений якоря. Эта система имела ограниченную ценность, поскольку выходная мощность каждого двигателя была ограничена. Биполярная электрика EP-2, используемая на Milwaukee Road, компенсировала эту проблему за счет использования большого количества приводных осей.
Современные грузовые электровозы, как и их дизель-электрические аналоги, почти повсеместно используют тяговые двигатели с подвеской на оси, по одному двигателю на каждую приводную ось. В этой конструкции одна сторона корпуса двигателя поддерживается подшипниками скольжения, которые движутся на отшлифованной и отполированной шейке, которая является неотъемлемой частью оси. Другая сторона корпуса имеет выступ в форме язычка, который входит в зацепление с соответствующим пазом в надрессорной балке тележки, его цель — действовать как устройство реакции крутящего момента, а также как опора. Передача мощности от двигателя к оси осуществляется с помощью прямозубой цилиндрической передачи , в которой шестерня на валу двигателя входит в зацепление с зубчатым колесом на оси. Обе шестерни заключены в герметичный корпус, содержащий смазочное масло. Тип обслуживания, в котором используется локомотив, диктует используемое передаточное отношение. Численно высокие передаточные отношения обычно встречаются на грузовых единицах, тогда как численно низкие передаточные отношения типичны для пассажирских двигателей.
Система обозначений Уайта для классификации паровозов не подходит для описания разнообразия компоновок электровозов, хотя Пенсильванская железная дорога применяет классы к своим электровозам, как если бы они были паровыми. Например, класс PRR GG1 указывает, что он организован как два локомотива 4-6-0 класса G, соединенных спина к спине.
Система классификации UIC обычно использовалась для электровозов, поскольку она позволяла учитывать сложную компоновку приводных и неприводных осей и различать соединенные и несоединенные системы привода.
Аккумуляторный электровоз (или аккумуляторный локомотив) питается от бортовых аккумуляторных батарей; это разновидность аккумуляторного электромобиля .
Такие локомотивы используются там, где дизельный или обычный электрический локомотив был бы неподходящим. Примером являются поезда технического обслуживания на электрифицированных линиях, когда электроснабжение отключено. Другое применение аккумуляторных локомотивов - на промышленных предприятиях (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 создать проблему безопасности из-за риска возгорания, взрыва или испарений в замкнутом пространстве. Аккумуляторные локомотивы предпочтительны для железных дорог шахт , где газ может воспламениться от приводимых в движение тележками агрегатов, образующих дугу на башмаках для сбора, или где может возникнуть электрическое сопротивление в цепях питания или возврата, особенно на стыках рельсов, и допустить опасную утечку тока в землю. [32]
Первый электровоз, построенный в 1837 году, был аккумуляторным локомотивом. Он был построен химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина в Шотландии и работал на гальванических элементах (батареях). Еще один ранний пример был на медном руднике Кеннекотт , Маккарти, Аляска , где в 1917 году подземные откаточные пути были расширены, чтобы обеспечить работу двух аккумуляторных локомотивов по 4+1 ⁄ 2 коротких тонны (4,0 длинных тонны; 4,1 т). [33] В 1928 году Kennecott Copper заказала четыре электровоза серии 700 с бортовыми батареями. Эти локомотивы весили 85 коротких тонн (76 длинных тонн; 77 т) и работали на контактном проводе напряжением 750 вольт со значительным запасом хода при работе от батарей. [34] Локомотивы прослужили несколько десятилетий, используя технологию никель-железных батарей (Эдисона). Батареи были заменены свинцово-кислотными батареями , и вскоре после этого локомотивы были выведены из эксплуатации. Все четыре локомотива были переданы в дар музеям, но один был списан. Остальные можно увидеть на железной дороге Бун и Синик-Вэлли , штат Айова, и в Музее Западной железной дороги в Рио-Виста, штат Калифорния.
Ранее Комиссия по транзиту Торонто эксплуатировала в метро Торонто аккумуляторный электровоз, построенный компанией Nippon Sharyo в 1968 году и выведенный из эксплуатации в 2009 году. [35]
Лондонский метрополитен регулярно использует аккумуляторные электровозы для проведения общих работ по техническому обслуживанию.
По состоянию на 2022 год [обновлять], аккумуляторные локомотивы с энергетической емкостью 7 и 14 МВтч заказаны железнодорожными линиями и находятся в стадии разработки. [36]
В 2020 году компания Zhuzhou Electric Locomotive Company , производитель систем накопления электроэнергии с использованием суперконденсаторов , изначально разработанных для использования в трамваях , объявила о расширении своей линейки продукции за счет включения в нее локомотивов. [37]
Электрификация широко распространена в Европе, причем электропоезда обычно используются для пассажирских поездов. Из-за более плотного графика движения эксплуатационные расходы преобладают над расходами на инфраструктуру, чем в США, а эксплуатационные расходы электровозов намного ниже, чем у дизельных. Кроме того, правительства были мотивированы электрифицировать свои железнодорожные сети из-за нехватки угля во время Первой и Второй мировых войн.
Тепловозы имеют меньшую мощность по сравнению с электровозами при том же весе и размерах. Например, 2200 кВт современного тепловоза British Rail Class 66 в 1927 году соответствовали электровозу SBB-CFF-FFS Ae 4/7 (2300 кВт), который легче. Однако для низких скоростей тяговое усилие важнее мощности. Дизельные двигатели могут быть конкурентоспособны для медленного грузового движения (как это распространено в Канаде и США), но не для пассажирского или смешанного пассажирско-грузового движения, как на многих европейских железнодорожных линиях, особенно там, где тяжелые грузовые поезда должны двигаться на сравнительно высоких скоростях (80 км/ч и более).
Эти факторы привели к высокой степени электрификации в большинстве европейских стран. В некоторых странах, например, в Швейцарии, даже электрические маневровые поезда являются обычным явлением, и многие частные подъездные пути обслуживаются электровозами. Во время Второй мировой войны , когда материалы для строительства новых электровозов были недоступны, Швейцарские федеральные железные дороги установили электрические нагревательные элементы в котлах некоторых паровых маневровых поездов , питаемых от надземного источника, чтобы справиться с нехваткой импортного угля. [38] [39]
Недавние политические события во многих европейских странах, направленные на улучшение общественного транспорта, привели к очередному стимулированию электрической тяги. Кроме того, зазоры на неэлектрифицированных путях закрываются, чтобы избежать замены электровозов на дизельные на этих участках. Необходимая модернизация и электрификация этих линий возможны благодаря финансированию железнодорожной инфраструктуры государством.
Британские электропоезда впервые появились в 1890-х годах, а их современные версии используются в качестве общественного транспорта. Также существует ряд классов электровозов, таких как: Class 76 , Class 86 , Class 87 , Class 90 , Class 91 и Class 92 .
_-_EXPO-1520_train_parade_2017.jpg/1280px-4ES5K-004_and_2ES10-139_(3ES10)_-_EXPO-1520_train_parade_2017.jpg)
В России и других странах бывшего Советского Союза по историческим причинам используется сочетание постоянного тока напряжением 3000 В и переменного тока напряжением 25 кВ.
Специальные «узловые станции» (около 15 по территории бывшего СССР – Владимир , Мариинск под Красноярском и т. д.) имеют переключаемую с постоянного тока на переменный. На этих станциях замена локомотивов обязательна и производится одновременно с переключением контактной проводки.
Большинство советских, чешских (СССР заказывал пассажирские электровозы у Škoda ), российских и украинских локомотивов могут работать только на переменном или постоянном токе. Например, VL80 — это машина переменного тока, а VL10 — версия постоянного тока. Были некоторые полуэкспериментальные небольшие серии, такие как VL82, которые могли переключаться с переменного тока на постоянный ток и использовались в небольших количествах вокруг города Харькова в Украине , где на многих линиях нет узловой станции. Кроме того, последний российский пассажирский локомотив ЭП20 и его полуэкспериментальный предшественник ЭП10 являются двухсистемными.
Исторически для простоты использовалось напряжение 3000 В постоянного тока. Первый экспериментальный путь был в грузинских горах, затем пригородные зоны крупнейших городов были электрифицированы для электропоездов — очень выгодно из-за гораздо лучшей динамики такого поезда по сравнению с паровым, что важно для пригородного сообщения с частыми остановками. Затем 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 (согласно легенде, Иосифом Сталиным ) электрифицировать высоконагруженную равнинную прерийную линию Омск - Новосибирск . После этого электрификация основных железных дорог на постоянном токе 3000 В стала общепринятой практикой.
25 кВ переменного тока появились в СССР около 1960 года, когда промышленность сумела построить выпрямительный локомотив переменного тока с двигателем постоянного тока (все советские и чешские локомотивы переменного тока были такими; только постсоветские перешли на асинхронные двигатели с электронным управлением). Первой крупной линией с переменным током была Мариинск-Красноярск-Тайшет-Зима; затем последовали линии в Европейской России, такие как Москва-Ростов-на-Дону.
В 1990-х годах некоторые линии постоянного тока были перестроены в линии переменного тока, чтобы позволить использовать огромный 10-мегаваттный локомотив переменного тока ВЛ85. Линия вокруг Иркутска — одна из них. Локомотивы постоянного тока, освободившиеся в результате этой перестройки, были переданы в регион Санкт-Петербурга.
Транссибирская магистраль была частично электрифицирована с 1929 года, полностью с 2002 года. Система представляет собой 25 кВ переменного тока частотой 50 Гц после узловой станции Мариинск около Красноярска, 3000 В постоянного тока до нее, а вес поездов достигает 6000 тонн. [40]
.jpg/1280px-Montreal_(3782223411).jpg)
Исторически Канада использовала различные электровозы, в основном для перевозки пассажиров и грузов через плохо проветриваемые туннели. Электровозы, которые использовались в Канаде, включают St. Clair Tunnel Co. Boxcab Electric , CN Boxcab Electric и GMD GF6C . Exo в Монреале эксплуатировала двухрежимные электро-дизельные локомотивы ALP-45DP , чтобы локомотивы могли пересекать плохо проветриваемый туннель Mount Royal . Локомотивы работают в электрическом режиме по всей длине линии Deux-Montagnes и по линии Mascouche между центральным вокзалом Монреаля и станцией Ahuntsic . Локомотивы работают в дизельном режиме на оставшейся части линии Mascouche и по трем другим неэлектрифицированным линиям. [41] Однако с преобразованием туннеля Mount Royal в главную линию системы легкого метро Réseau Express métropolitain и постоянным сокращением линии Mascouche до станции Ahuntsic , начиная с января 2020 года, локомотивы работают исключительно в дизельном режиме. [42]
Подобно США, гибкость дизельных локомотивов и относительно низкая стоимость их инфраструктуры привели к их преобладанию, за исключением случаев, когда правовые или эксплуатационные ограничения диктуют использование электричества. Это привело к ограниченной электрической железнодорожной инфраструктуре и, как следствие, к использованию электровозов в Канаде сегодня. По состоянию на 2021 год, сегодня существует только один пример, электровозы GMD SW1200MG, эксплуатируемые Iron Ore Company of Canada для небольшой изолированной железной дороги, перевозящие сырую руду из их шахты Carol Lake на перерабатывающий завод.
В будущем GO Transit из Торонто планирует эксплуатировать парк новых электровозов в рамках своей инициативы Regional Express Rail . Также изучается возможность использования локомотивов на водородных топливных элементах. [43]
Электровозы используются для пассажирских поездов на северо-восточном коридоре Amtrak между Вашингтоном , округ Колумбия , и Бостоном , с ответвлением на Гаррисберг, штат Пенсильвания , и на некоторых пригородных железнодорожных линиях. Системы общественного транспорта и другие электрифицированные пригородные линии используют электропоезда , где каждый вагон имеет электропитание. Все остальные междугородние пассажирские перевозки и, за редкими исключениями , все грузы перевозятся дизель-электрическими локомотивами.
В Северной Америке гибкость дизельных локомотивов и относительно низкая стоимость их инфраструктуры привели к их преобладанию, за исключением случаев, когда юридические или эксплуатационные ограничения диктуют использование электричества. Примером последнего является использование электровозов Amtrak и пригородными железными дорогами в Северо-восточном коридоре . Нью-Йоркский коридор Amtrak и New Jersey Transit использует электровозы, в настоящее время ALP-46 , из-за запрета на работу дизельного топлива на Penn Station и в туннелях Hudson и East River, ведущих к нему. Некоторые другие поезда до Penn Station используют двухрежимные локомотивы, которые также могут работать от третьего рельса в туннелях и на станции.
В эпоху пара некоторые горные районы были электрифицированы, но теперь это прекращено. Стык между электрифицированной и неэлектрифицированной территорией является местом смены локомотивов; 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, Коннектикут , поскольку локомотивы менялись, задержка, которая способствовала решению электрифицировать сегмент Северо-восточного коридора от Нью-Хейвена до Бостона в 2000 году. [44]
В Китае более 100 000 километров (62 000 миль) электрифицированных железных дорог. [45] Большинство магистральных грузовых и междугородних пассажирских поездов эксплуатируются с использованием мощных электровозов, как правило, свыше 7 200 киловатт (9 700 л. с.) выходной мощности. Тяжёлые грузы перевозятся с помощью чрезвычайно мощных многосекционных локомотивов, достигающих 28 800 киловатт (38 600 л. с.) на серии шестисекционных электровозов «Шэнь 24». [46]
Все основные электрифицированные маршруты в Индии используют 25 кВ переменного тока воздушной электрификации с частотой 50 Гц. По состоянию на март 2017 года индийские железные дороги перевозят 85% грузовых и пассажирских перевозок с помощью электровозов, а 45 881 км железнодорожных линий были электрифицированы. [47]
Япония приблизилась к полной электрификации во многом благодаря относительно коротким расстояниям и горному рельефу, что делает электротранспорт особенно экономичным вложением. Кроме того, сочетание 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, а не электровозам. Подавляющее большинство электропассажирских перевозок в Японии осуществляется с помощью электропоездов, что позволяет отвести электровозы для грузовых перевозок и некоторых междугородних перевозок.
Железные дороги Виктории и Государственные железные дороги Нового Южного Уэльса , которые в начале XX века стали пионерами в области электрической тяги в Австралии и продолжают эксплуатировать электропоезда с напряжением 1500 В постоянного тока , сняли с эксплуатации свои электровозы.
В обоих штатах использование электровозов на основных междугородных маршрутах оказалось квалифицированным успехом. В Виктории, поскольку была электрифицирована только линия Джиппсленд , экономические преимущества электрической тяги не были полностью реализованы из-за необходимости менять локомотивы для поездов, которые ходили за пределами электрифицированной сети. Класс L железных дорог Виктории был выведен из эксплуатации к 1987 году, [48] а электрификация линии Джиппсленд была демонтирована к 2004 году. [49]
Локомотивы класса 86 Нового Южного Уэльса, представленные в Новом Южном Уэльсе в 1983 году, имели относительно короткий срок службы, поскольку расходы на поддержание инфраструктуры, необходимость замены локомотивов на концах электрифицированной сети и более высокие сборы за электроэнергию привели к тому, что тепловозы взяли на себя обслуживание электрифицированной сети. [50]
Queensland Rail осуществила электрификацию в 1980-х годах и использует более современную технологию переменного тока 25 кВ , и около 1000 км узкоколейной сети в настоящее время электрифицированы. Компания управляет парком электровозов для транспортировки угля на экспорт, самый последний из которых — 3000 кВт (4020 л.с.) класса 3300/3400 . [51]
Эвиан-ле-Бен кандо.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )