Приветствую вас, уважаемые подписчики и гости моего канала! Думаю, что все вы прекрасно знаете, что устройство на крыше электровоза, электропоезда, а также трамвая, предназначенное для подключения к контактной сети - называется токоприёмник. Конструктивно токоприёмник может быть выполнен в виде пантографа:
Полупантографа:
Ещё бывают бугельные токоприёмники:
Ну и, конечно же, не стоит забывать про штанговые токоприёмники, которые устанавливают на троллейбусах. Хотя, на самом деле, не только на троллейбусах. В некоторых странах на трамваях также устанавливают штанговый токоприёмник, только в данном случае штанга одна, а не две:
Однако, были в истории и электровозы (точнее, правильнее будет их назвать скоростными вагонами), которые в начале века показали ошеломляющие результаты по скорости для того времени, имевшие конструкции токоприёмников максимально странного типа:
Зачем это нужно было - расскажу в этой статье.
Окунаемся в историю высоких скоростей
В конце XIX века, ещё во времена, когда паровозы плотно держали своё место на железных дорогах всего мира, не собираясь его никому уступать, электротехническая промышленность шагнула вперёд, сделав доступными компактные и мощные электродвигатели для нужд транспорта.
Трамваи в европейских городах ходили, получая напряжения от контактной сети (либо от рельсов), двигатели работали на постоянном токе. Примерно в то же время (1889 год), Михаил Осипович Доливо-Добривольский в Германии получает патент на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, а через год также на асинхронный двигатель с фазным ротором, открывая эру массового промышленного применения электрических машин.
Асинхронный двигатель имеет крайне простую и надежную конструкцию - статор с трёхфазной обмоткой и ротор, в основе которого лежит, так называемая, беличья клетка:
На вход асинхронного двигателя подаётся трёхфазное переменное напряжение. Упрощенно можно сказать, что переменное напряжение - это синусоида, а трёхфазное переменное напряжение - это три синусоиды (разумеется в трёх разных проводниках), сдвинутые на угол 120 градусов:
Скоростные вагоны Siemens и AEG
В 1899 году, в Германии было основано Исследовательское общество высокоскоростных электрических железных дорог, которые должно было заняться изучением транспорта будущего, поскольку уже тогда понимали, что на паровозах быстро и далеко не уедешь.
Для испытаний был выделен 23-километровый участок в окрестностях Берлина, с незначительными уклонами и кривыми.
На заводе в Кёльне были построены две электромотрисы (так на железной дороге называют самоходные вагоны), одна имела электрооборудование от компании «Siemens» (и получила обозначение «S»), а другая от «AEG» (с обозначением «A», соответственно).
На обоих вагонах были установлены асинхронные тяговые электродвигатели. В те времена, чтобы запитать асинхронные тяговые двигатели, пришлось сооружать трёхфазную контактную сеть, а также соответствующие токоприёмники. У «Siemens» токоприёмники устанавливались на общей мачте:
А у «AEG» - на отдельных рамах, расположенных в ряд:
Скоростные испытания
Весной 1901 года, когда подвижной состав был готов, на выделенной линии начались испытания. Скорость увеличивали постепенно, начиная с 60 километров в час и до 160. На такой скорости уперлись в предел по прочности верхнего строения пути. На данный момент, у нас в стране, например, используется стандарт рельсов Р65, либо Р75. Это значит, что на один погонный метр рельса приходится масса в 65, либо 75 килограмм соответственно.
В начале прошлого века, на испытательной линии, были уложены рельсы весом 34,4 килограмма на метр. После того, как предел их на испытываемых скоростях был достигнут, линию реконструировали, уложив рельсы весом 41 килограмм на метр.
Через два года испытания были возобновлены и оба вагона достигли скоростей свыше 200 километров в час. Благодаря испытаниям появились настоящие экспериментальные данные о том, как ведет себя система колесо-рельс на тех или иных скоростях, как влияет аэродинамика кузова подвижного состава, как ведёт себя человеческое тело и так далее.
Особенности асинхронного привода
Инженеры бы и рады были продолжить внедрение асинхронных двигателей на железнодорожном подвижном составе, однако, было две очень существенных проблемы. Во-первых - само подключение двигателя к контактной сети. В те времена, если двигатель трёхфазный, значит и контактная сеть, и токоприёмник должны быть соответствующими.
Во-вторых, даже если удалось подключить асинхронные тяговые двигатели к контактной сети, их необходимо регулировать. Да, при испытаниях было достаточно режима «трогание с места - неконтролируемый разгон до максимальной скорости - механическое торможение», однако для реальной эксплуатации необходимо регулирование в широком диапазоне скоростей. А в случае с асинхронным приводом это возможно, воздействуя на такие параметры как напряжение и частота питающей сети.
И если в начале века более менее плавно регулировать напряжение ещё можно было, то вот с частотой - беда. Конечно, обороты двигателя также можно ступенчато регулировать переключением числа пар полюсов, но для тяги это не подходит.
Поэтому, идею использования асинхронного привода отложили лет так на 60 - 70, пока должного развития не получила силовая электроника, позволив конструировать инверторы на основе сначала тиристоров, а позже транзисторов. Таким образом, появилась возможность, подавая на вход инвертора постоянное напряжение, получать трёхфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, а значит получать нужный момент на валу тягового электродвигателя.
Вдохновлено статьей Ивана Конюхова - Электрический путь в век скоростей
Для удобства подписчиков Телеграме создан канал, объединяющий несколько Дзен-каналов (в том числе и мой) по теме транспорта. С его помощью вы можете не только быстрее увидеть новые статьи, но и найти канал в случае автоматической отписки, что иногда бывает. Рекомендую подписаться!
