Электрификация железных дорог с трехфазным переменным током использовалась в Италии, Швейцарии и Соединенных Штатах в начале двадцатого века. Италия была основным пользователем с 1901 по 1976 год, хотя линии через два туннеля также использовали эту систему; туннель Симплон между Швейцарией и Италией с 1906 по 1930 год (но не подключенный к итальянской системе) и туннель Каскад Большой Северной железной дороги в Соединенных Штатах с 1909 по 1939 год. Первая линия со стандартной шириной колеи была в Швейцарии, от Бургдорфа до Туна (40 км или 25 миль), с 1899 по 1933 год. [1] [2]
Система обеспечивает рекуперативное торможение с обратной подачей мощности в систему, поэтому она особенно подходит для горных железных дорог (при условии, что сеть или другой локомотив на линии могут принять мощность). Локомотивы используют трехфазные асинхронные двигатели. Не имея щеток и коммутаторов, они требуют меньшего обслуживания. Ранние итальянские и швейцарские системы использовали низкую частоту ( 16+2 ⁄ 3 Гц) и относительно низкое напряжение (3000 или 3600 вольт) по сравнению с более поздними системами переменного тока. (Однако и рекуперативное торможение, и 16+2 ⁄ 3 Гц были успешно реализованы также для однофазных систем, например, для швейцарских Ce 6/8 II и III типа «Crocodile».)
Воздушная проводка, обычно имеющая две отдельные воздушные линии и рельс для третьей фазы, была более сложной, а используемая низкая частота требовала отдельной системы генерации или преобразования и распределения. Скорость поезда была ограничена одной-четырьмя скоростями, при этом две или четыре скорости достигались путем смены полюсов или каскадной работы или того и другого.
Ниже приведен список железных дорог, которые использовали этот метод электрификации в прошлом: [3]
Система в основном используется сегодня для зубчатых (горных) железных дорог, где контактная проводка менее сложна [ сомнительна – обсудим ] и ограничения по доступным скоростям менее важны. Современные двигатели и их системы управления избегают фиксированных скоростей традиционных систем, поскольку они построены на твердотельных преобразователях.
Четыре нынешние такие железные дороги:
Во всех случаях используется стандартная частота (50 Гц или 60 Гц (Бразилия)), а не низкая частота, составляющая от 725 до 3000 вольт.
Автоматизированные рельсовые пути в Китае и Японии также могут использовать трехфазную электрификацию через несколько третьих рельсов, расположенных по бокам пути.
В этом списке показаны исторические и текущие значения напряжения и частоты, используемые в различных системах.
Эта категория не охватывает железные дороги с однофазным (или постоянным) питанием, которое преобразуется в трехфазное на локомотиве или силовом вагоне, например , большая часть железнодорожного оборудования с 1990-х годов и ранее с использованием твердотельных преобразователей. Система Kando 1930-х годов, разработанная Кальманом Кандо на заводе Ganz Works и использовавшаяся в Венгрии и Италии, использовала вращающиеся фазовые преобразователи на локомотиве для преобразования однофазного питания в трехфазное, как и система разделения фаз на железной дороге Norfolk and Western в Соединенных Штатах.
Обычно локомотивы имели один, два или четыре двигателя на шасси кузова (не на тележках) и не требовали редуктора. Асинхронные двигатели рассчитаны на работу с определенной синхронной скоростью, и когда они работают выше синхронной скорости под уклон, мощность возвращается в систему. Смена полюсов и каскадная (конкатенационная) работа использовались для обеспечения двух или четырех различных скоростей, а для запуска требовались сопротивления (часто жидкостные реостаты ). В Италии грузовые локомотивы использовали простой каскад с двумя скоростями, 25 и 50 км/ч (16 и 31 миля в час); в то время как экспресс-локомотивы использовали каскад, объединенный с заменой полюсов, что давало четыре скорости, 37, 50, 75 и 100 км/ч (23, 31, 46 и 62 мили в час). [2] При использовании 3000 или 3600 вольт при 16+2 ⁄ 3 (16,7) Гц, питание может подаваться непосредственно на двигатель без бортового трансформатора.
Обычно двигатель(и) питали одну ось, а другие колеса были соединены шатунами, так как асинхронный двигатель чувствителен к изменениям скорости, а с не связанными двигателями на нескольких осях двигатели на изношенных колесах выполняли бы небольшую работу или вообще не выполняли бы ее, поскольку вращались бы быстрее. [9] Эта характеристика двигателя привела к аварии в Каскадном туннеле с грузовым поездом GN, идущим на восток, с четырьмя электровозами, двумя на головке и двумя толкающими. Два толкателя внезапно потеряли мощность, и поезд постепенно замедлился до остановки, но ведущий машинист не знал, что его поезд остановился, и держал контроллер в положении мощности, пока не истекло обычное время прохождения туннеля. Не увидев дневного света, он наконец выключил локомотив и обнаружил, что колеса его неподвижного локомотива прошли через две трети рельсовой сети. [10]
Обычно используются два отдельных воздушных провода, с рельсом для третьей фазы, хотя иногда используются три воздушных провода. На перекрестках, кроссоверах и переездах две линии должны быть разделены, с непрерывным питанием локомотива, который должен иметь два рабочих провода, где бы он ни останавливался. Следовательно, используются два коллектора на каждую воздушную фазу, но следует избегать возможности перекрытия мертвого участка и возникновения короткого замыкания от переднего коллектора одной фазы к заднему коллектору другой фазы. [11] Сопротивление рельсов, используемых для третьей фазы или возврата, выше для переменного тока, чем для постоянного тока из-за « скин-эффекта », но ниже для низкой используемой частоты, чем для промышленной частоты. Потери также увеличиваются, хотя и не в той же пропорции, поскольку импеданс в значительной степени реактивный. [12]
Локомотиву необходимо получать электроэнергию от двух (или трех) контактных проводов. Ранние локомотивы на итальянских государственных железных дорогах использовали широкий носовой токосъемник , который покрывал оба провода, но более поздние локомотивы использовали широкий пантограф с двумя коллекторными стержнями, расположенными рядом. Трехфазная система также склонна к большим продольным зазорам между секциями из-за сложности двухпроводной контактной сети, поэтому требуется длинная база для приема. В Италии это достигалось с помощью длинных носовых токосъемников, достигавших прямо концов локомотива, или с помощью пары пантографов, также установленных как можно дальше друг от друга. [13]
В Соединенных Штатах использовалась пара троллейбусных столбов . Они хорошо работали при максимальной скорости 15 миль в час (24 км/ч). Система двухпроводного пантографа используется на четырех горных железных дорогах, которые продолжают использовать трехфазное питание ( зубчатая железная дорога Корковадо в Рио-де-Жанейро, Бразилия , Юнгфраубан и Горнергратбан в Швейцарии и Petit train de la Rhune во Франции).
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
Медиа, связанные с трехфазной электрификацией на Wikimedia Commons