Городской и междугородний электротранспорт стали для современного человека привычными атрибутами его повседневной жизни. Мы давно уже не задумываемся о том, как этот транспорт получает питание. Все знают, что автомобили заправляют бензином, педали велосипедов крутят ногами велосипедисты. Но как же питаются электрические виды пассажирского транспорта: трамваи, троллейбусы, монорельсовые поезда, метро, электропоезда, электровозы? Откуда и как подается к ним движущая энергия? Давайте поговорим об этом.
Трамвай
В былые времена каждое новое трамвайное хозяйство было вынуждено иметь собственную электростанцию, поскольку электрические сети общего пользования еще не были в достаточной степени развиты. В 21 веке энергия для контактной сети трамваев подается от сетей общего назначения.
Питание осуществляется постоянным током относительно невысокого напряжения (550 В), которое было бы просто не выгодно передавать на значительные расстояния. По этой причине вблизи трамвайных линий размещены тяговые подстанции, на которых переменный ток из сети высокого напряжения преобразуется в постоянный ток (с напряжением 600 В) для контактной сети трамвая. В городах, где ходят и трамваи и троллейбусы, данные виды транспорта обычно имеют общее энергохозяйство.
На территории бывшего Советского Союза представлены две схемы электроснабжения контактных сетей для трамваев и троллейбусов: централизованная и децентрализованная. Централизованная появилась первой. В ней крупные тяговые подстанции, оснащенные несколькими преобразовательными агрегатами, обслуживали все прилегающие к ним линии, или линии, находящиеся на расстоянии до 2 километров от них. Подстанции данного типа располагаются сегодня в районах высокой плотности трамвайных (троллейбусных) маршрутов.
Децентрализованная система начала формироваться после 60-х годов, когда стали появляться вылетные линии трамваев, троллейбусов, метро, как то из центра города вдоль шоссе, в отдаленный район города и т. п.
Здесь на каждые 1-2 километра линии установлены тяговые подстанции малой мощности с одним или двумя преобразовательными агрегатами, способные питать максимум два участка линии, причем каждый участок на конце может подпитываться соседней подстанцией.
Так потери энергии оказываются меньше, ибо фидерные участки выходят короче. К тому же если на одной из подстанций случится авария, участок линии все равно останется под напряжением от соседней подстанции.
Контакт трамвая с линией постоянного тока осуществляется через токоприемник на крыше его вагона. Это может быть пантограф, полупантограф, штанга или дуга. Контактный провод трамвайной линии обычно подвешен проще, чем железнодорожный. Если используется штанга, то воздушные стрелки устроены подобно троллейбусным. Отвод тока обычно осуществляется через рельсы - в землю.
Троллейбус
У троллейбуса контактная сеть разделена секционными изоляторами на изолированные друг от друга сегменты, каждый из которых присоединен к тяговой подстанции при помощи фидерных линий (воздушных или подземных). Это легко позволяет производить избирательное отключение отдельных секций для ремонта в случае их повреждения. Если неисправность случится с питающим кабелем, возможна установка перемычек на изоляторы, чтобы запитать пострадавшую секцию от соседней (но это нештатный режим, связанный с риском перегрузки фидера).
Тяговая подстанция понижает переменный ток высокого напряжения от 6 до 10 кВ и преобразует его в постоянный, с напряжением 600 вольт. Падение напряжения на любой точке сети, согласно нормативам, не должно быть более 15%.
Троллейбусная контактная сеть отличается от трамвайной. Здесь она двухпровдная, земля не используется для отвода тока, поэтому данная сеть устроена сложнее. Провода располагаются друг от друга на небольшом расстоянии, поэтому требуется особо тщательная защита от сближения и замыкания, а также изоляция на местах пересечений троллейбусных сетей между собой и с трамвайными сетями.
Поэтому на местах пересечений устанавливаются специальные средства, а также стрелки на местах ветвлений. Кроме того выдерживается определенное регулируемое натяжение, предохраняющее от захлестов проводов во время ветра. Вот почему для питания троллейбусов используются штанги — другие приспособления просто не позволят соблюсти все эти требования.
Штанги троллейбусов чувствительны к качеству контактной сети, ведь любой ее дефект может послужить причиной соскока штанги. Есть нормы, согласно которым угол излома в месте крепления штанги не должен быть более 4°, а при повороте на угол более 12° устанавливаются кривые держатели. Токосъемный башмак движется вдоль провода и не может поворачивать вместе с троллейбусом, поэтому здесь необходимы стрелки.
Монорельс
Во многих городах земного шара с недавних пор ходят монорельсовые поезда: в Лас-Вегасе, в Москве, в Торонто и т.д. Их можно встретить в парках развлечений, в зоопарках, монорельсы используются для обзора местных достопримечательностей, и, конечно, для городского и пригородного сообщения.
Колеса таких поездов изготовлены вовсе не из чугуна, а из литой резины. Колеса просто направляют монорельсовый поезд вдоль бетонной балки - рельсы, на которой находится колея и линии (контактный рельс) силового электропитания.
Некоторые монорельсовые поезда устроены таким образом, что как-бы насажены на колею сверху, подобно тому, как человек сидит верхом на лошади. Некоторые монорельсы подвешиваются к балке снизу, напоминая гигантский фонарь на столбе. Безусловно, монорельсовые дороги более компактны чем обычные железные дороги, но их строительство обходится дороже.
Некоторые монорельсы имеют не только колеса, но и дополнительную опору на основе магнитного поля. Московский монорельс, например, движется как раз на магнитной подушке, создаваемой электромагнитами. Электромагниты находятся в подвижном составе, а в полотне направляющей балки — стоят постоянные магниты.
В зависимости от направления тока в электромагнитах подвижной части, монорельсовый поезд движется вперед или назад по принципу отталкивания одноименных магнитных полюсов — так работает линейный электродвигатель.
Кроме резиновых колёс у монорельсового поезда есть ещё и контактный рельс, состоящий из трёх токоведущих элементов: плюс, минус и земля. Напряжение питания линейного двигателя монорельса — постоянное, равное 600 вольт.
Метро
Электропоезда метрополитена получают электричество от сети постоянного тока — как правило, от третьего (контактного) рельса, напряжение на котором составляет 750—900 Вольт. Постоянный ток получают на подстанциях из переменного тока с помощью выпрямителей.
Контакт поезда с контактным рельсом осуществляется через подвижный токосъемник. Располагается контактный рельс права от путей. Токосъемник (так называемая «токоприемная лапа» ) находится на тележке вагона, и прижимается к контактному рельсу снизу. Плюс находится на контактном рельсе, минус — на рельсах поезда.
Кроме силового тока, по путевым рельсам течет и слабый "сигнальный" ток, необходимый для работы блокировки и автоматического переключения светофоров. Также по рельсам передается информация в кабину машиниста о сигналах светофоров и разрешенной скорости движения поезда метро на данном участке.
Электровоз
Электровозом называют локомотив, движимый тяговым электродвигателем. Двигатель электровоза получает питание от тяговой подстанции через контактную сеть.
Электрическая часть электровоза в целом содержит не только тяговые двигатели, но и преобразователи напряжения, а также аппараты, подключающие к сети двигатели и прочее. Токоведущее оборудование электровоза находится на его крыше или капотах, и предназначено для соединения электрооборудования с контактной сетью.
Токосъем с контактной сети обеспечивают токоприемники на крыше, далее ток подается через шины и проходные изоляторы - к электрическим аппаратам. На крыше электровоза присутствуют и коммутирующие аппараты: воздушные выключатели, переключатели родов тока и разъединители для отключения от сети в случае неполадки токоприемника. Через шины ток подается на главный ввод, к преобразующим и регулирующим аппаратам, на тяговые двигатели и другие машины, далее - на колесные пары и через них - на рельсы, в землю.
Регулировка тягового усилия и скорости движения электровоза достигается изменением напряжения на якоре двигателя и варьированием коэффициента возбуждения на коллекторных двигателях, или подстройкой частоты и напряжения питающего тока на асинхронных двигателях.
Регулирование напряжения выполняется несколькими способами. Изначально на электровозе постоянного тока все его двигатели соединены последовательно, и напряжение на одном двигателе восьмиосного электровоза составляет 375 В, при напряжении в контактной сети 3 кВ.
Группы тяговых двигателей могут быть переключены с последовательного соединения - на последовательно-параллельное (2 группы по 4 двигателя, соединённых последовательно, тогда напряжение на каждый двигатель — 750 В), либо на параллельное (4 группы по 2 последовательно соединенных двигателя, тогда напряжение на один двигатель — 1500 В). А для получения промежуточных значений напряжений на двигателях, в цепь добавляются группы реостатов, что позволяет регулировать напряжение ступенями по 40—60 В, хотя это и приводит к потере части электроэнергии на реостатах в виде тепла.
Преобразователи электроэнергии внутри электровоза необходимы для изменения рода тока и понижения напряжения контактной сети до необходимых величин, соответствующих требованиям тяговых электродвигателей, вспомогательных машин и прочих цепей электровоза. Преобразование осуществляется прямо на борту.
На электровозах переменного тока для понижения входного высокого напряжения предусмотрен тяговый трансформатор, а также выпрямитель и сглаживающие реакторы для получения постоянного тока из переменного. Для питания вспомогательных машин могут устанавливаться статические преобразователи напряжения и тока. На электровозах с асинхронным приводом обоих родов тока применяются тяговые инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток регулируемого напряжения и частоты, подаваемый на тяговые двигатели.
Электропоезд
Электропоезд или электричка в классическом виде берет электричество с помощью токоприемников через контактный провод или контактный рельс. В отличие от электровоза, токоприемники электрички располагаются как на моторных вагонах, так и на прицепных.
Если ток подается на прицепные вагоны, то моторный вагон получает питание через специальные кабели. Токосъем обычно верхний, с контактного провода, осуществляется он токосъемниками в форме пантографов (похожих на трамвайные).
Обычно токосъем однофазный, но существует и трёхфазный, когда электропоезд использует токоприёмники специальной конструкции для раздельного контакта с несколькими проводами или контактными рельсами (если речь идет о метро).
Электрооборудование электрички зависит от рода тока (бывают электропоезда постоянного тока, переменного тока или двухсистемные), типа тяговых двигателей (коллекторные или асинхронные), наличия или отсутствия электрического торможения.
В основном электрическое оборудование электропоездов схоже с электрооборудованием электровозов. Однако на большинстве моделей электропоездов оно размещено под кузовом и на крышах вагонов для увеличения пассажирского пространства внутри. Принципы управления двигателями электропоездов примерно те же, что и на электровозах.