Почему у трамваев пантограф изогнутый, а у электричек ровный? Почему трехфазный двигатель не требует трёхпроводной воздушной контактной сети? И почему сейчас поезда не ездят с тремя пантографами и тремя проводами сверху?
Эта статья - про появление городского электротранспорта и пути его развития!
Зарождение электротранспорта в Европе
Помните, в 1834 году Борис Семенович Якоби создал первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала?
А спустя четыре года он осуществил запуск судна-электрохода, гребное колесо которого приводилось в движение электродвигателем, питаемым от батареи гальванических элементов?
После этого открытия человечеству потребовалось почти 30 лет, чтобы воплотить в жизнь идею о том, что электрическая тяга может заменить конную и даже паровую.
Как это было?..
Итак, 1874 год. Петербург.
Русский военный инженер Федор Апполонович Пироцкий изучает отчёты
с артиллерийских полигонов. Его особо заинтересовала серия проводимых там экспериментов по передаче электроэнергии на расстоянии. Он углубляется в эту тему, поскольку электричество – это увлечение всей его жизни.
Он ставит перед собой задачу: необходимо преобразовать механическую энергию водопада или паровой машины и передать его на расстояние.
И это может сделать только электричество.
В то время царствовал постоянный ток, а для его передачи требовались проводники большого сечения. Пироцкий решил использовать в этом качестве железнодорожные рельсы. В его конструкции рельсы, изолированные от земли, были подключены к генератору Грамма; один рельс был прямым проводником, а другой – обратным.
По истечении двух лет, летом 1876 года инженер смог заставить работать двигатель, находившийся более чем в километре от источника питания.
Результаты эксперимента Пироцкий представил в статье «О передаче работы воды, как двигателя, на всякое расстояние посредством гальванического тока», опубликованной в «Инженерном журнале» № 4 за 1877 год.
Дальнейшие эксперименты Пироцкого были связаны с преобразованием электроэнергии в механическую работу. Цель: заставить вращаться колёса устройства, движущегося по рельсам.
Однако реализацию своей идеи и дальнейшие опыты Фёдор Аполлонович был вынужден отложить на три года – его отправили в командировку по долгу службы, и вернулся он в Петербург только в 1879 году.
За успешными опытами Пироцкого внимательно следили во всем мире, в том числе и немецкий инженер Вернер фон Сименс.
У него, справедливости ради, были и свои разработки в этой области, а также компания "Telegraphen-Bauanstalt Siemens & Halske".
И в 1879 годуСименс, использовав конструкцию Пироцкого, на Германской промышленной выставке в Берлинепродемонстрировал свой экспериментальный образец электровоза мощностью 2,2 кВт.
Собранный Сименсом локомотив использовался для катания посетителей по территории выставки протяженностью около 300 м. Скорость поезда составляла 6,5 км/ч. Локомотив питался от третьего рельса постоянным током напряжением в 150 вольт и имел мощность в 3 л. с. Масса локомотива составляла четверть тонны.
К локомотиву цеплялись три вагона, каждый из которых имел шесть посадочных мест.
Пироцкий, тем временем, вернувшись в 1879 году в Петербург, принялся за реализацию собственного изобретения. Он приобрёл 6,5-тонный двухъярусный бельгийский типовой вагон для конки и оборудовал его всем необходимым: под вагоном разместил электродвигатель и редуктор, который осуществлял при помощи зубчатого механизма передачу движения от двигателя к осям вагона.
12 апреля 1880 года на первой в мире специальной Электротехнической выставке в Петербурге Ф. А. Пироцкий сделал публичный доклад на тему «Передача силы на любое расстояние с помощью гальванического тока (проводники – рельсы и провод)», в том числе и для движения поездов. Расчёты были выполнены совместно с физиком Дмитрием Лачиновым.
А 22 августа 1880 г. в 12 часов дня в Петербурге, на Песках, на углу Болотной улицы и Дегтярного переулка трамвайный вагон Пироцкого проехал, движимый "электрическою силою, идущей по рельсам, по которым катятся колеса вагона," – как писали тогда в газетах.
У первого электрического трамвая даже был номер – 114.
Вагон вмещал 40 пассажиров. Электрический трамвай развивал скорость 8–12 км/ч, что было сравнимо со скоростью движения лошади рысью. Для питания электродвигателя по рельсам передавался постоянный ток напряжением 100 В. Рельсовые пути были предварительно специально приспособлены для передачи электрической энергии путем изоляции костылей от шпал специальным составом и подкладывания под рельсы изолирующих брезентовых прокладок.
Так петербуржцы стали первыми в мире пассажирами электрического трамвая. Однако его появление вызвало не только восторг, но и протесты со стороны владельцев конно-железных дорог, боявшихся потерять свою прибыль.
К концу сентября 1880 года у Пироцкого закончились средства на продолжение эксперимента. Но о его изобретении уже стало известно во всем мире. Из Германии к Фёдору Аполлоновичу приезжал Карл Сименс (один из владельцев компании Сименс), очень заинтересовавшийся электрическим трамваем.
А уже через несколько месяцев братья Сименсы запустили первую пассажирскую электрическую трамвайную линию, связавшую Берлин с его пригородом Лихтерфельде. Длина пути составила 2,5 км. Моторный вагон получал ток напряжением 100 вольт через оба рельса. Мощность мотора трамвая составляла 5 киловатт. Максимальная скорость движения составляла 20 км/ч.
Пироцкий же в 1881 году смог представить модель своей железной дороги на электротяге на Международной электротехнической выставке в Париже, после чего из-за отсутствия финансирования он переключился на другие проекты.
В это же время компания Siemens & Halskeпродолжила совершенствовать свои изобретения, и в 1882 году ей удалось построить свой первый рудничный (или шахтный) электровоз, который был введен в эксплуатацию в шахте Zaukerode в Саксонии.
В том же году «Siemens & Halske» продемонстрировала первый троллейбус, проложив для него первую экспериментальную троллейбусную линию протяжённостью 540 м в предместье Берлина (Галензе).
Электросъем осуществлялся восьмиколёсной тележкой (Kontaktwagen), катившейся по двум параллельным контактным проводам.
Но поскольку провода располагались достаточно близко друг от друга, при сильном ветре они нередко перехлёстывались, что приводило к коротким замыканиям.
И тем не менее, троллейбусу как виду городского транспорта суждено было появиться на свет.
А теперь перенесемся в Америку.
Считается, что появление электротранспорта в СШАпроизошло независимо от Европы.
В 1883 году американский изобретатель Лео Дафт (Leo Daft) начал свои эксперименты с электрической тягой, построив электровоз «Ампер» (Ampère) массой в две тонны, который мог тянуть груз в десять тонн с максимальной скоростью 16,7 км/ч, а его мощность составляла 25 л. с.
Первоначально Дафт также использовал третий рельс. Но это приводило к коротким замыканиям во время дождя, к тому же напряжение в 120 вольт убивало мелких животных (кошек, собак), да и для людей было небезопасно.
Но в 1886 году ему удалось создать работоспособную систему, — вместо третьего рельса он стал применять двухпроводную контактную сеть – двигатели получали ток от подвешенных на опорах двух проводов, по которым катилась на роликах тележка-токоприёмник, связанная с вагоном гибким кабелем. Устройство получило название «троллей» (troller), по способу его буксировки за вагоном.
Двухпроводную контактную сеть Дафта можно считать прообразом изобретённых позднее троллейбусных контактных сетей.
Другим пионером электрических трамваев в Америке был Чарльз Джозеф Ван Депуле (Charles Van Depoele).
Узнав об успехе электровоза Сименса в Германии, он устроил демонстрацию собственного экспериментального электрического вагона в 1883 году на промышленной выставке в Чикаго. Для питания он использовал однопроводную контактную сеть и постоянный ток напряжением в 1400 вольт.
В 1885 году он изобрел и продемонстрировал первый контактный столб (штангу) – устройство, используемое электрическими трамваями для сбора тока с воздушных проводов, представив его публике на линии, временно установленной на Промышленной выставке в Торонто.
Его эксперименты вызвали интерес, и к 1886 году в пяти городах США (в том числе в Скрентоне и Миннеаполисе) и одном городе Канады — в Уинсоре — работали трамваи его системы.
В период с 1881 по 1894 год Ван Дюпеле получил не менее 243 патентов США на различные электрические изобретения, включая железнодорожные системы, освещение, генераторы, двигатели, регуляторы тока, насосы, тельферные системы, батареи, молоты, буры, тормоза, безредукторный локомотив, угольную шахтную машину и сваебойную машину.
Но настоящий импульс развитию троллейбусов придал Фрэнк Спрейг.
Он создал надежный и безопасный токоприемник – троллерную штангу.
Кроме того, он сконструировал тележку, связавшую в один блок двигатель и колесную пару.
То есть фактически именно Спрейг создал троллейбус в том виде, в каком мы его знаем до сих пор.
К 1886 году основанная Спрейгом компания Sprague Electric Railway & Motor Company сделала еще два важных изобретения:
- работающий с постоянной скоростью не искрящийся двигатель со щётками, т.е. был изобретен двигатель, работающий с постоянной скоростью под переменной нагрузкой;
- рекуперативное торможение: метод торможения за счёт преобразования кинетической энергии в электрическую (при торможении двигатель работает как генератор) и отдачи её в электрическую сеть.
Регенеративная тормозная система Спрейга сыграла важную роль в развитии электропоездов и электрических лифтов.
Кроме того, в 1887 году на Чикагской эстакадной железной дороге Спрэйг впервые в мировой практике создал электропоезд, управляемый по системе многих единиц, которая используется и в настоящее время.
Это такой способ управления подвижным составом, когда в один поезд сцепляются несколько локомотивов или моторных вагонов, а управление тяговыми двигателями ведется с одного поста управления и одной локомотивной бригадой. Эта изобретенная Спрейгом система работает до сих пор, и без нее не было бы ни современной железной дороги, ни сдвоенных трамваев, ни метрополитена.
Дальнейшее развитие электротранспорта
В Европе от питания трамвая через третий рельс тоже быстро отказались, как и от питания от двух обычных рельсов (эта система имела все недостатки системы с третьим рельсом, плюс к тому усложняла конструкцию трамвая, так как требовала изоляции колёсных пар — а иначе колёса и соединяющая их ось вызывали короткое замыкание между рельсами).
Чтобы избежать патентных споров с Фрэнком Спрейгом, Вернер фон Сименс разработал бугельный токосъёмник (выглядит как дуга)
В отличие от системы Спрейга, требовавшей устройства стрелок на контактном проводе, система Сименса в таковых не нуждалась, что сделало её более простой и надежной. Система Спрейга, являющаяся прародителем троллейбусных контактных сетей, имела и свойственный им недостаток — сходы троллейбусных штанг с проводов контактной сети (и по сей день это явление нередкое). Тогда как сход бугеля или пантографа с провода контактной сети крайне маловероятен, что позволяет трамваю с бугелем или пантографом двигаться намного быстрее, чем «штанговому» троллейбусу.
Продолжение следует...