Lokomotywa elektryczna - Electric locomotive

Lokomotywa elektryczna Škoda ChS4-109. Moskwa - Odessa pociąg w Winnicy dworca kolejowego.
Siemens ES64U4 jest obecny potwierdzonych posiadacza jak najszybciej lokomotywy elektrycznej przy 357 km / h (222 mph) w 2006 roku.

Lokomotywy jest ruchomy zasilany energią elektryczną z linii napowietrznych , A trzecia szyna lub magazynowania energii pokładowej, takie jak baterii lub superkondensatora .

Lokomotywy z rezerwacją on-board napędzany ciągniki , takie jak silniki wysokoprężne lub turbin gazowych , są klasyfikowane jako diesel-elektryczne lub gazowe turbiny elektryczne , a nie jako lokomotyw elektrycznych, ponieważ połączenie generator / silnik elektryczny służy jedynie jako układu napędowego .

Lokomotywy elektryczne korzystają z wysokiej sprawności silników elektrycznych, często przekraczającej 90% (nie licząc nieefektywności wytwarzania energii elektrycznej). Dodatkową wydajność można uzyskać dzięki hamowaniu regeneracyjnemu , które pozwala odzyskać energię kinetyczną podczas hamowania, aby przywrócić moc do linii. Nowsze lokomotywy elektryczne wykorzystują układy napędowe z silnikiem prądu przemiennego i falownikiem, które zapewniają hamowanie regeneracyjne. Lokomotywy elektryczne są ciche w porównaniu z lokomotywami spalinowymi, ponieważ nie ma hałasu silnika i spalin oraz jest mniej hałasu mechanicznego. Brak części posuwisto-zwrotnych oznacza, że ​​lokomotywy elektryczne łatwiej poruszają się po torze, co ogranicza utrzymanie toru. Moc elektrowni jest znacznie większa niż w przypadku jakiejkolwiek indywidualnej lokomotywy, więc lokomotywy elektryczne mogą mieć wyższą moc wyjściową niż lokomotywy spalinowe i mogą wytwarzać jeszcze wyższą krótkotrwałą moc udarową w celu szybkiego przyspieszenia. Lokomotywy elektryczne są idealne do obsługi kolei podmiejskich z częstymi przystankami. Lokomotywy elektryczne są używane na trasach towarowych o stale wysokim natężeniu ruchu lub na obszarach o zaawansowanych sieciach kolejowych. Elektrownie, nawet jeśli spalają paliwa kopalne, są znacznie czystsze niż źródła mobilne, takie jak silniki lokomotyw. Moc może również pochodzić z czystych lub odnawialnych źródeł , w tym energii geotermalnej , energii wodnej , biomasy , energii słonecznej , Energia jądrowa i turbin wiatrowych . Lokomotywy elektryczne kosztują zwykle o 20% mniej niż lokomotywy spalinowe, koszty ich utrzymania są o 25-35% niższe, a ich eksploatacja jest nawet o 50% niższa.

Główną wadą elektryfikacji są wysokie koszty infrastruktury: linie napowietrzne lub trzecia kolej, podstacje i systemy sterowania. Polityka publiczna w USA koliduje z elektryfikacją: wyższe podatki od nieruchomości są nakładane na prywatne obiekty kolejowe, jeśli są one zelektryfikowane. EPA reguluje emisje spalin z silników lokomotyw i statków, podobnie jak przepisy dotyczące emisji z samochodów osobowych i ciężarówek, w celu ograniczenia ilości tlenku węgla, niespalonych węglowodorów, tlenków azotu i sadzy z tych mobilnych źródeł zasilania. Ponieważ infrastruktura kolejowa w Stanach Zjednoczonych jest własnością prywatną, koleje nie chcą dokonywać niezbędnych inwestycji związanych z elektryfikacją. W Europie i poza nią sieci kolejowe są uważane za część krajowej infrastruktury transportowej, podobnie jak drogi, autostrady i drogi wodne, dlatego często są finansowane przez państwo. Operatorzy taboru uiszczają opłaty w zależności od wykorzystania kolei. Umożliwia to duże inwestycje wymagane do technicznie, a w dłuższej perspektywie również ekonomicznie korzystnej elektryfikacji.

Historia

Prąd stały

1879 Pociąg eksperymentalny Siemensa i Halske
Lokomotywa elektryczna EL-1 linii Baltimore Belt Line , US 1895: Lokomotywa parowa nie została odłączona w celu przejścia przez tunel. Napowietrznej przewód był odcinek pręta w najwyższym punkcie w stropie, to elastyczny, płasko pantograf użyto
Alco-GE Prototype Class S-1 , NYC i HR nr. 6000 (prąd stały)
Milwaukee drogowe klasy ES-2 , przykładem większej steeplecab przełącznika o wydanie kolejowych zelektryfikowanych ciężkich (DC) 1916

Pierwsza znana lokomotywa elektryczna została zbudowana w 1837 roku przez chemika Roberta Davidsona z Aberdeen i była zasilana ogniwami galwanicznymi (akumulatorami). Davidson później zbudował większą lokomotywę o nazwie Galvani , wystawioną na wystawie Królewskiego Szkockiego Towarzystwa Sztuki w 1841 roku. Siedmiotonowy pojazd miał dwa silniki reluktancyjne z napędem bezpośrednim , ze stałymi elektromagnesami działającymi na żelazne pręty przymocowane do drewnianego cylindra na każdej osi, i proste komutatory . Przewiozła ładunek o masie sześciu ton z prędkością czterech mil na godzinę (6 kilometrów na godzinę) na odległość półtora mili (2,4 kilometra). Został przetestowany na kolei w Edynburgu i Glasgow we wrześniu następnego roku, ale ograniczona moc baterii uniemożliwiła jego powszechne użycie. Został zniszczony przez kolejarzy, którzy widzieli w nim zagrożenie dla bezpieczeństwa pracy.

Pierwszy elektryczny pociąg pasażerski został zaprezentowany przez Wernera von Siemensa w Berlinie w 1879 roku. Lokomotywa była napędzana silnikiem szeregowym o mocy 2,2 kW, a pociąg składający się z lokomotywy i trzech wagonów osiągał prędkość 13 km/h . W ciągu czterech miesięcy pociąg przewoził 90 000 pasażerów po torze okrężnym o długości 300 metrów (984 stóp). Energia elektryczna (150 V DC) była dostarczana przez trzecią izolowaną szynę pomiędzy torami. Do zbierania energii elektrycznej użyto rolki kontaktowej.

Pierwsza na świecie linia tramwaju elektrycznego została otwarta w Lichterfelde koło Berlina w Niemczech w 1881 roku. Została zbudowana przez Wernera von Siemens (patrz Tramwaj Gross-Lichterfelde i Berlin Straßenbahn ). Volk's Electric Railway została otwarta w 1883 roku w Brighton. Również w 1883 roku pod Wiedniem w Austrii otwarto Mödling i Hinterbrühl Tram . Był to pierwszy na świecie w regularnej eksploatacji zasilany z linii napowietrznej. Pięć lat później, w USA, w 1888 r., na kolei Richmond Union Passenger Railway , po raz pierwszy pojawiły się wózki elektryczne , wykorzystujące urządzenia zaprojektowane przez Franka J. Sprague'a .

Pierwsze zelektryfikowane węgierskie linie kolejowe zostały otwarte w 1887 roku. Budapeszt (patrz: BHÉV ): linia Ráckeve (1887), linia Szentendre (1888), linia Gödöllő (1888), linia Csepel (1912).

Wiele wczesnych etapów rozwoju lokomocji elektrycznej było napędzane coraz częstszym wykorzystaniem tuneli, zwłaszcza na obszarach miejskich. Dym z lokomotyw parowych był uciążliwy, a gminy coraz bardziej skłaniały się do zakazywania ich używania w swoich granicach. Pierwszą elektrycznie eksploatowaną linią metra była linia City and South London Railway , w związku z klauzulą ​​w akcie wykonawczym zakazującym używania energii parowej. Został otwarty w 1890 roku, wykorzystując lokomotywy elektryczne skonstruowane przez Mathera i Platta . Elektryczność szybko stała się preferowanym źródłem zasilania w metrze, dzięki wynalezieniu przez Sprague'a w 1897 r. systemu sterowania pociągami wieloczłonowymi. Systemy szybkiego transportu na powierzchni i na wzniesieniu zwykle wykorzystywały parę, dopóki nie zostały zmuszone do przekształcenia na mocy rozporządzenia.

Pierwsze użycie elektryfikacji na amerykańskiej głównej linii miało miejsce na czteromilowym odcinku Baltimore Belt Line w Baltimore and Ohio Railroad (B&O) w 1895 r., łącząc główną część B&O z nową linią do Nowego Jorku poprzez serię tuneli na obrzeżach śródmieścia Baltimore. Równoległe tory na linii kolejowej Pennsylvania Railroad pokazały, że dym węglowy z lokomotyw parowych będzie poważnym problemem operacyjnym i uciążliwością publiczną. Początkowo stosowano trzy jednostki Bo+Bo , model EL-1. Na południowym krańcu odcinka zelektryfikowanego; dołączyli do lokomotywy i pociągu i przeciągnęli go przez tunele. Wjazdy kolejowe do Nowego Jorku wymagały podobnych tuneli, a problemy z dymem były tam bardziej dotkliwe. Kolizja w tunelu Park Avenue w 1902 roku doprowadziła ustawodawcę stanu Nowy Jork do zakazu używania lokomotyw wytwarzających dym na południe od rzeki Harlem po 1 lipca 1908 roku. W odpowiedzi lokomotywy elektryczne rozpoczęły eksploatację w 1904 roku na New York Central Railroad . W latach 30. XX wieku kolej Pennsylvania Railroad , która wprowadziła lokomotywy elektryczne z powodu przepisów nowojorskich, zelektryfikowała całe swoje terytorium na wschód od Harrisburga w Pensylwanii .

Chicago, Milwaukee, St. Paul, a Pacific Railroad (Milwaukee Road), ostatnia linia Transcontinental być zbudowany, zelektryfikowana swoje linie w poprzek Gór Skalistych i na Pacyfiku począwszy od 1915. Kilka East wybrzeża, zwłaszcza Virginian Railway oraz Norfolk and Western Railway , zelektryfikowały krótkie odcinki swoich górskich przepraw. Jednak w tym momencie elektryfikacja w Stanach Zjednoczonych była bardziej związana z gęstym ruchem miejskim, a wykorzystanie lokomotyw elektrycznych spadło w obliczu dieselizacji. Diesel dzielił część przewag lokomotywy elektrycznej nad parą, a koszty budowy i utrzymania infrastruktury zasilającej, co zniechęciło do nowych instalacji, spowodowało wyeliminowanie większości elektryfikacji głównych linii poza północnym wschodem. Z wyjątkiem kilku systemów niewoli (np. Deseret Power Railroad ), do 2000 r. elektryfikacja była ograniczona do Korytarza Północno-Wschodniego i niektórych usług dojazdowych; nawet tam fracht był obsługiwany przez olej napędowy. Rozwój trwał nadal w Europie, gdzie elektryfikacja była powszechna. 1500 V DC jest nadal używane na niektórych liniach w pobliżu Francji, a 25 kV 50 Hz jest używane przez pociągi dużych prędkości.

Prąd przemienny

Pierwszą praktyczną lokomotywę elektryczną prądu przemiennego zaprojektował Charles Brown , pracujący wówczas dla firmy Oerlikon w Zurychu. W 1891 roku Brown zademonstrował transmisję energii na duże odległości przy użyciu trójfazowego prądu przemiennego między elektrownią wodną w Lauffen am Neckar a Frankfurtem nad Menem Zachodnim na odległość 280 km. Wykorzystując doświadczenie zdobyte podczas pracy dla Jeana Heilmanna przy projektach lokomotyw parowo-elektrycznych, Brown zauważył, że silniki trójfazowe mają wyższy stosunek mocy do masy niż silniki prądu stałego, a ze względu na brak komutatora są prostsze w produkcji i utrzymać. Były jednak znacznie większe niż silniki prądu stałego w tamtych czasach i nie mogły być montowane w wózkach podpodłogowych : mogły być przewożone tylko w pudłach lokomotyw.

W 1894 roku węgierski inżynier Kálmán Kandó opracował nowy typ trójfazowych asynchronicznych silników elektrycznych i generatorów do lokomotyw elektrycznych. Projekty Kandó z początku 1894 zostały po raz pierwszy zastosowane w krótkim trójfazowym tramwaju prądu przemiennego w Évian-les-Bains (Francja), który został zbudowany w latach 1896-1898.

W 1918 Kandó wynalazł i opracował obrotowy konwerter fazowy , umożliwiający lokomotywom elektrycznym korzystanie z silników trójfazowych zasilanych pojedynczym przewodem napowietrznym, przenoszącym prostą przemysłową częstotliwość (50 Hz) jednofazowego prądu przemiennego krajowych sieci wysokiego napięcia.

W 1896 roku firma Oerlikon zainstalowała pierwszy komercyjny przykład systemu na linii tramwajowej Lugano . Każda 30-tonowa lokomotywa miała dwa silniki o mocy 110 kW (150 KM) zasilane trójfazowym napięciem 750 V 40 Hz, zasilanym z podwójnych linii napowietrznych. Silniki trójfazowe pracują ze stałą prędkością i zapewniają hamowanie odzyskowe i są dobrze przystosowane do stromo pochyłych tras, a pierwsze lokomotywy trójfazowe zostały dostarczone przez Browna (wtedy we współpracy z Walterem Boveri ) w 1899 roku na 40 km linia Burgdorf—Thun , Szwajcaria. Pierwsze wdrożenie przemysłowego zasilania jednofazowego prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej do lokomotyw pochodzi z Oerlikon w 1901 roku, wykorzystując projekty Hansa Behna-Eschenburga i Emila Hubera-Stockara ; Instalacja na linii Seebach-Wettingen Szwajcarskich Kolei Federalnych została ukończona w 1904 roku. Lokomotywy 15 kV, 50 Hz 345 kW (460 KM), 48 ton wykorzystywały transformatory i przekształtniki obrotowe do zasilania silników trakcyjnych prądu stałego.

Prototyp lokomotywy elektrycznej Ganz AC w ​​Valtellinie, Włochy, 1901

Włoskie koleje jako pierwsze na świecie wprowadziły trakcję elektryczną na całej długości magistrali, a nie tylko na krótkim odcinku. Linia Valtellina o długości 106 km została otwarta 4 września 1902 r., zaprojektowana przez Kandó i zespół z zakładów Ganz. Instalacja elektryczna była trójfazowa przy 3 kV 15 Hz. Napięcie było znacznie wyższe niż stosowane wcześniej i wymagało nowych konstrukcji silników elektrycznych i urządzeń łączeniowych. Trójfazowy system dwuprzewodowy był używany na kilku liniach kolejowych w północnych Włoszech i stał się znany jako „system włoski”. Kandó został zaproszony w 1905 roku do objęcia kierownictwa Società Italiana Westinghouse i kierował rozwojem kilku włoskich lokomotyw elektrycznych. W okresie elektryfikacji kolei włoskich przeprowadzono testy, jakiego rodzaju mocy użyć: na niektórych odcinkach był 3600 V 16+2 / 3  Hz trójfazowy zasilacz, w innych było 1500 V prądu stałego 3 kV DC i 10 kV 45 Hz. Po II wojnie światowej dla całego włoskiego systemu kolejowego wybrano zasilanie 3 kV DC.

Późniejszy rozwój Kandó, współpracującego zarówno z zakładami Ganz, jak i Societa Italiana Westinghouse , był konwerterem elektromechanicznym , pozwalającym na stosowanie silników trójfazowych z jednofazowego prądu przemiennego, eliminując potrzebę stosowania dwóch przewodów napowietrznych. W 1923 r. na podstawie projektów Kandó skonstruowano pierwszą na Węgrzech lokomotywę z przetwornicą fazową, a wkrótce potem rozpoczęto produkcję seryjną. Pierwsza instalacja, przy napięciu 16 kV 50 Hz, została wykonana w 1932 roku na 56 km odcinku Węgierskich Kolei Państwowych między Budapesztem a Komárom . Okazało się to sukcesem, a elektryfikacja została rozszerzona na Hegyeshalom w 1934 roku.

Szwajcarski Re 420 prowadzi pociąg towarowy wzdłuż południowej strony linii Gottharda , która została zelektryfikowana w 1922 roku. Widać maszty i linie sieci trakcyjnej.

W Europie projekty elektryfikacji początkowo koncentrowały się na regionach górskich z kilku powodów: dostawy węgla były trudne, energia wodna była łatwo dostępna, a lokomotywy elektryczne zapewniały lepszą przyczepność na bardziej stromych liniach. Dotyczyło to szczególnie Szwajcarii, gdzie prawie wszystkie linie są zelektryfikowane. Ważny wkład w szersze zastosowanie trakcji prądu przemiennego wniosła po II wojnie światowej francuska firma SNCF . Firma oceniła linię prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej poprowadzoną przez stromą dolinę Höllental w Niemczech, która po wojnie znajdowała się pod francuską administracją. Po próbach firma zdecydowała, że ​​osiągi lokomotyw prądu przemiennego są wystarczająco rozwinięte, aby wszystkie jej przyszłe instalacje, niezależnie od terenu, miały ten standard, wraz z powiązaną z nią tańszą i wydajniejszą infrastrukturą. Decyzja SNCF, ignorując 2000 mil (3200 km) wysokiego napięcia prądu stałego już zainstalowanego na francuskich trasach, miała wpływ na standard wybrany dla innych krajów w Europie.

Pikku-Pässi , mała lokomotywa elektryczna firmy Finlayson w Tampere w Finlandii w latach 50.

Lata sześćdziesiąte przyniosły elektryfikację wielu głównych linii europejskich. Od lat dwudziestych XX wieku technologia europejskich lokomotyw elektrycznych ulegała ciągłej poprawie. Dla porównania, klasa Milwaukee Road EP-2 (1918) ważyła 240 t, moc 3330 kW i prędkość maksymalna 112 km/h; w 1935 roku niemiecki E 18 miał moc 2800 kW, ale ważył tylko 108 ton i rozwijał prędkość maksymalną 150 km/h. 29 marca 1955 francuska lokomotywa CC 7107 osiągnęła prędkość 331 km/h. W 1960 roku lokomotywy SJ Class Dm 3 na szwedzkich kolejach wyprodukowały rekordową moc 7200 kW. Lokomotywy zdolne do komercyjnej obsługi pasażerów z prędkością 200 km/h pojawiły się w tym samym okresie w Niemczech i Francji. Dalsze ulepszenia wynikały z wprowadzenia elektronicznych systemów sterowania, które pozwoliły na zastosowanie coraz lżejszych i mocniejszych silników, które można było montować wewnątrz wózków (standaryzując od lat 90. XX w. asynchroniczne silniki trójfazowe, zasilane przez falowniki GTO).

W latach 80. rozwój usług bardzo szybkich przyniósł dalszą elektryfikację. Japoński Shinkansen i francuski TGV były pierwszymi systemami, dla których zbudowano od podstaw dedykowane linie dużych prędkości. Podobne programy podjęto we Włoszech , Niemczech i Hiszpanii ; w Stanach Zjednoczonych jedyną nową usługą linii głównej było rozszerzenie elektryfikacji przez północno-wschodni korytarz z New Haven w stanie Connecticut do Bostonu w stanie Massachusetts , chociaż nadal budowano nowe systemy elektrycznych lekkich kolei .

2 września 2006 r. standardowa lokomotywa elektryczna Siemens typu Eurosprinter ES64-U4 ( klasa ÖBB 1216) osiągnęła 357 km/h (222 mph), rekord dla pociągu ciągniętego przez lokomotywę, na nowej linii między Ingolstadt a Norymbergą . Ta lokomotywa jest obecnie wykorzystywana przez ÖBB w dużej mierze niezmodyfikowaną do ciągnięcia swojego Railjeta, który jest jednak ograniczony do maksymalnej prędkości 230 km/h ze względów ekonomicznych i infrastrukturalnych.

Rodzaje

Sterowanie operacyjne lokomotywy towarowej VL80R Kolei Rosyjskich . Koło steruje mocą silnika.
Lokomotywa elektryczna używana w operacjach górniczych we Flin Flon, Manitoba . Ta lokomotywa jest na wystawie i obecnie nie jest w eksploatacji.

Lokomotywa elektryczna może być zasilana z

Wyróżniającymi cechami konstrukcyjnymi lokomotyw elektrycznych są:

  • Rodzaj używanej energii elektrycznej, AC lub DC .
  • Sposób magazynowania (baterie, ultrakondensatory) lub gromadzenia (przesyłania) energii elektrycznej.
  • Środki stosowane do sprzężenia silników trakcyjnych z kołami napędowymi (kierowcy).

Prąd stały i przemienny

Najbardziej podstawowa różnica polega na wyborze AC lub DC. Najwcześniejsze systemy wykorzystywały prąd stały, ponieważ prąd przemienny nie był dobrze poznany, a materiał izolacyjny dla linii wysokiego napięcia nie był dostępny. Lokomotywy prądu stałego zazwyczaj działają przy stosunkowo niskim napięciu (600 do 3000 woltów); sprzęt jest zatem stosunkowo masywny, ponieważ występujące prądy są duże, aby przekazywać wystarczającą moc. Moc musi być dostarczana w częstych odstępach czasu, ponieważ wysokie prądy powodują duże straty w systemie przesyłowym.

Wraz z rozwojem silników prądu przemiennego stały się one dominującym typem, szczególnie na dłuższych trasach. Stosowane są wysokie napięcia (dziesiątki tysięcy woltów), ponieważ pozwala to na stosowanie niskich prądów; straty przesyłowe są proporcjonalne do kwadratu prądu (np. dwukrotność prądu oznacza czterokrotność strat). Dzięki temu dużą moc można przewodzić na duże odległości na lżejszych i tańszych przewodach. Transformatory w lokomotywach przekształcają tę moc na niskie napięcie i wysoki prąd dla silników. System niskoprądowy o podobnym wysokim napięciu nie mógł być zastosowany w lokomotywach prądu stałego, ponieważ nie ma łatwego sposobu na przeprowadzenie transformacji napięcia/prądu dla prądu stałego tak wydajnie, jak w przypadku transformatorów prądu przemiennego.

Trakcja AC nadal czasami wykorzystuje podwójne przewody napowietrzne zamiast linii jednofazowych. Powstały prąd trójfazowy napędza silniki indukcyjne , które nie mają czułych komutatorów i pozwalają na łatwą realizację hamulca regeneracyjnego . Prędkość jest kontrolowana przez zmianę liczby par biegunów w obwodzie stojana, przy czym przyspieszenie kontrolowane jest przez włączanie lub wyłączanie dodatkowych rezystorów w obwodzie wirnika. Linie dwufazowe są ciężkie i skomplikowane w pobliżu przełączników, gdzie fazy muszą się krzyżować. System był szeroko stosowany w północnych Włoszech do 1976 roku i nadal jest używany w niektórych szwajcarskich kolejach zębatych . Zaletą systemu jest prosta wykonalność bezawaryjnego hamulca elektrycznego, problematyczna jest natomiast kontrola prędkości i linie dwufazowe.

Szwedzka lokomotywa RC była pierwszą seryjną lokomotywą, w której zastosowano tyrystory z silnikami prądu stałego.

Lokomotywy prostownikowe , które wykorzystywały transmisję prądu przemiennego i silniki prądu stałego, były powszechne, chociaż komutatory prądu stałego miały problemy zarówno z rozruchem, jak i przy niskich prędkościach. Dzisiejsze zaawansowane lokomotywy elektryczne wykorzystują bezszczotkowe trójfazowe silniki indukcyjne prądu przemiennego . Te wielofazowe maszyny są zasilane z falowników opartych na GTO , IGCT lub IGBT . Koszt urządzeń elektronicznych w nowoczesnej lokomotywie może sięgać nawet 50% kosztu pojazdu.

Trakcja elektryczna pozwala na zastosowanie hamowania odzyskowego, w którym silniki są wykorzystywane jako hamulce i stają się generatorami, które przekształcają ruch pociągu w energię elektryczną, która jest następnie przekazywana z powrotem do linii. System ten jest szczególnie korzystny w operacjach górskich, ponieważ lokomotywy zjeżdżające mogą wytwarzać dużą część mocy wymaganej do wznoszenia się pociągów. Większość systemów ma charakterystyczne napięcie, aw przypadku zasilania prądem przemiennym częstotliwość systemową. Wiele lokomotyw zostało przystosowanych do obsługi wielu napięć i częstotliwości w miarę nakładania się systemów lub modernizacji. Amerykańskie lokomotywy FL9 były przystosowane do obsługi zasilania z dwóch różnych systemów elektrycznych i mogły również działać jako silniki spalinowo-elektryczne.

Podczas gdy dzisiejsze systemy działają głównie na AC, wiele systemów DC jest nadal w użyciu – np. w Afryce Południowej i Wielkiej Brytanii (750 V i 1500 V); Holandia , Japonia , Irlandia (1500 V); Słowenia , Belgia , Włochy , Polska , Rosja , Hiszpania (3 000 V) i Waszyngton (750 V).

Przesył mocy

Nowoczesny pół pantograf
Trzecia szyna na stacji metra West Falls Church niedaleko Waszyngtonu, pod napięciem 750 woltów. Trzecia szyna znajduje się na górze obrazu, a nad nią biały baldachim. Dwie dolne szyny to zwykłe szyny jezdne; prąd z trzeciej szyny wraca przez nie do elektrowni.

Obwody elektryczne wymagają dwóch połączeń (lub dla trójfazowego prądu przemiennego trzy połączenia). Od początku tor był używany po jednej stronie toru. W przeciwieństwie do modeli kolejowych tor zwykle zasila tylko jedną stronę, a druga strona (strony) toru jest dostarczana oddzielnie.

Linie napowietrzne

Koleje generalnie preferują linie napowietrzne , często nazywane „ łącznicami ” po systemie wsporczym używanym do utrzymywania drutu równolegle do podłoża. Możliwe są trzy metody zbierania:

  • Drążek na kółkach : długi, elastyczny drążek, który łączy linkę z kołem lub butem.
  • Kolektor dziobowy : rama, która utrzymuje długi pręt zbierający przy drucie.
  • Pantograf : rama na zawiasach, która utrzymuje klocki zbierające przy linie o ustalonej geometrii.

Z tych trzech, metoda pantografowa najlepiej nadaje się do pracy z dużą prędkością. Niektóre lokomotywy wykorzystują zarówno napowietrzne, jak i trzecią szynę (np. British Rail Class 92 ). W Europie zalecaną geometrię i kształt pantografów określa norma EN 50367/IEC 60486

Trzecia szyna

Oryginalna elektryfikacja Baltimore i Ohio Railroad wykorzystywała ślizgacz w górnym kanale, system, który szybko okazał się niezadowalający. Został on zastąpiony przez trzecią szynę , w której pickup ("but") jechał pod lub na górze mniejszej szyny równoległej do głównego toru, nad poziomem gruntu. Po obu stronach lokomotywy znajdowało się wiele pickupów, aby pomieścić przerwy w trzeciej szynie wymagane przez torowisko. Ten system jest preferowany w metrze ze względu na niewielkie prześwity, jakie zapewnia.

Prowadzenie kół

Jedna z elektryki Milwaukee Road EP-2 „Bipolarna”

Podczas początkowego rozwoju elektrycznego napędu kolejowego opracowano szereg systemów napędowych, które sprzęgały moc silników trakcyjnych z kołami. Wczesne lokomotywy często wykorzystywały napędy wałowe . W tym układzie silnik trakcyjny jest zamontowany w korpusie lokomotywy i napędza wał podnośnika za pomocą zestawu kół zębatych. Ten system został zastosowany, ponieważ pierwsze silniki trakcyjne były zbyt duże i ciężkie, aby można je było zamontować bezpośrednio na osiach. Ze względu na liczbę zaangażowanych części mechanicznych konieczna była częsta konserwacja. W przypadku mniejszych i lżejszych silników zrezygnowano z napędu lewarowego we wszystkich jednostkach z wyjątkiem najmniejszych,

W miarę dojrzewania lokomotywy elektrycznej opracowano kilka innych systemów. Napęd Buchli był w pełni sprężynowym systemem, w którym masa silników napędowych była całkowicie odłączona od kół napędowych. Po raz pierwszy zastosowany w lokomotywach elektrycznych od lat 20. XX wieku napęd Buchli był używany głównie przez francuskie SNCF i Szwajcarskie Koleje Federalne . W tym czasie opracowano również napęd z pinolą, który zamontował silnik trakcyjny nad lub z boku osi i sprzężony z osią za pomocą przekładni redukcyjnej i wału drążonego - pinoli - elastycznie połączonej z osią napędową. Pennsylvania Railroad GG1 lokomotywa stosowany napęd gęsie. Ponownie, w miarę zmniejszania się rozmiarów i wagi silników trakcyjnych, napędy z piórami stopniowo wypadały z łask.

Innym napędem był system „ dwubiegunowy ”, w którym twornikiem silnika była sama oś, rama i zespół polowy silnika przymocowany do ciężarówki (wózka) w stałej pozycji. Silnik posiadał dwa bieguny polowe, co pozwalało na ograniczony ruch pionowy twornika. Ten system miał ograniczoną wartość, ponieważ moc wyjściowa każdego silnika była ograniczona. Zastosowana przez Milwaukee Road dwubiegunowa elektryka EP-2 zrekompensowała ten problem poprzez zastosowanie dużej liczby napędzanych osi.

Nowoczesne lokomotywy elektryczne, podobnie jak ich odpowiedniki spalinowo-elektryczne , niemal powszechnie wykorzystują silniki trakcyjne zawieszane na osiach, z jednym silnikiem na każdą oś napędową. W tym układzie jedna strona obudowy silnika jest podtrzymywana przez łożyska ślizgowe poruszające się po szlifowanym i wypolerowanym czopa, który jest integralną częścią osi. Druga strona obudowy ma występ w kształcie języka, który sprzęga się z dopasowaną szczeliną w podporze wózka (wózka), a jego zadaniem jest działanie jako urządzenie reagujące na moment obrotowy, jak również podpora. Przeniesienie mocy z silnika na oś odbywa się za pomocą przekładni czołowej , w której zębnik na wale silnika sprzęga się z kołem zębatym osi. Oba koła zębate są zamknięte w wodoszczelnej obudowie zawierającej olej smarujący. Rodzaj usługi, w której używana jest lokomotywa, dyktuje zastosowane przełożenie skrzyni biegów. Numerycznie wysokie współczynniki są powszechnie spotykane w jednostkach towarowych, podczas gdy numerycznie niskie współczynniki są typowe dla lokomotyw pasażerskich.

Układy kół

GG1 lokomotywy

System notacji Whyte'a do klasyfikacji lokomotyw parowych nie jest odpowiedni do opisania różnych układów lokomotyw elektrycznych, chociaż Pennsylvania Railroad zastosowała klasy do swoich lokomotyw elektrycznych tak, jakby były parą. Na przykład klasa PRR GG1 wskazuje, że jest ułożona jak dwie lokomotywy klasy G 4-6-0 sprzężone tyłem do siebie.

System klasyfikacji UIC był zwykle stosowany w lokomotywach elektrycznych, ponieważ mógł obsługiwać złożone układy napędzanych i nienapędzanych osi oraz umożliwiał rozróżnienie między sprzężonymi i niesprzężonymi układami napędowymi.

Lokomotywa akumulatorowa

London Underground Lokomotywa elektryczna akumulatora w stacji West Ham wykorzystywane do ciągnięcia pociągów inżynierów

Lokomotywa bateryjna (lub lokomotywa bateryjna) jest zasilana bateriami pokładowymi; rodzaj pojazdu elektrycznego z akumulatorem .

Takie lokomotywy są używane tam, gdzie lokomotywa spalinowa lub konwencjonalna lokomotywa elektryczna byłyby nieodpowiednie. Przykładem jest utrzymanie pociągów na liniach zelektryfikowanych, gdy zasilanie jest wyłączone. Innym zastosowaniem lokomotyw akumulatorowych jest w obiektach przemysłowych (np wybuchowe fabryki, olej i gaz rafinerie czy zakłady chemiczne), gdzie lokomotywa o napędzie spalinowym (tj parowych lub silnikiem Diesla ) mogłoby spowodować zagrożenie bezpieczeństwa ze względu na ryzyko pożaru , wybuch lub opary w zamkniętej przestrzeni. Lokomotywy akumulatorowe są preferowane w kolejach kopalnianych, gdzie gaz może zostać zapalony przez jednostki napędzane wózkiem, które wyładują łuk na stopach zbierających, lub gdzie opór elektryczny może rozwinąć się w obwodach zasilających lub powrotnych, zwłaszcza na złączach szyn, i umożliwić niebezpieczny upływ prądu do ziemi.

Pierwszą lokomotywą elektryczną zbudowaną w 1837 r. była lokomotywa akumulatorowa. Został zbudowany przez chemika Roberta Davidsona z Aberdeen w Szkocji i zasilany był ogniwami galwanicznymi (baterie). Innym przykładem jest wcześnie w Kennecott kopalni miedzi , Latouche Alaska , znamienny 1917 podziemne sposoby przewozowych poszerzono w celu umożliwienia pracy lokomotywy o dwóch baterii z 4+12 tony krótkie (4,0 tony długie; 4,1 t). W 1928 roku Kennecott Copper zamówił cztery lokomotywy elektryczne serii 700 z pokładowymi akumulatorami. Lokomotywy te ważyły ​​85 ton krótkich (76 ton długich; 77 t) i działały na przewodach trakcyjnych o napięciu 750 Vo znacznie większym zasięgu przyzasilaniuz akumulatorów. Lokomotywy służyły przez kilkadziesiąt lat, wykorzystująctechnologię akumulatorów niklowo-żelazowych (Edison). Akumulatory zostały zastąpione akumulatorami kwasowo-ołowiowymi , a lokomotywy wkrótce potem wycofano. Wszystkie cztery lokomotywy zostały przekazane do muzeów, ale jedna została zezłomowana. Pozostałe można zobaczyć w Boone and Scenic Valley Railroad w stanie Iowa oraz w Western Railway Museum w Rio Vista w Kalifornii.

Toronto Transit Komisja eksploatowane wcześniej na metrze Toronto lokomotywę elektryczną akumulatora zbudowany przez Nippon-SHARYO w 1968 roku i przeszedł na emeryturę w 2009 roku.

Londyńskie metro regularnie obsługuje lokomotywy akumulatorowe do ogólnych prac konserwacyjnych.

Lokomotywy elektryczne na całym świecie

Europa

NER No.1, Muzeum Lokomocji, Shildon
FS Class E656 , lokomotywa przegubowa Bo'-Bo'-Bo', łatwiej radzi sobie z ciasnymi zakrętami często spotykanymi na włoskich kolejach
Brytyjska klasa 91

Elektryfikacja jest szeroko rozpowszechniona w Europie, a elektryczne zespoły trakcyjne są powszechnie stosowane w pociągach pasażerskich. Ze względu na wyższe zagęszczenie harmonogramów, koszty operacyjne są bardziej dominujące w odniesieniu do kosztów infrastruktury niż w USA, a lokomotywy elektryczne mają znacznie niższe koszty operacyjne niż olej napędowy. Dodatkowo rządy były motywowane do elektryfikacji swoich sieci kolejowych z powodu niedoboru węgla, który wystąpił podczas I i II wojny światowej.

Lokomotywy spalinowe mają mniejszą moc w porównaniu do lokomotyw elektrycznych przy tej samej masie i wymiarach. Na przykład, 2200 kW nowoczesnej lokomotywy spalinowej British Rail Class 66 dorównało w 1927 roku elektrycznej SBB-CFF-FFS Ae 4/7 (2300 kW), która jest lżejsza. Jednak przy niskich prędkościach siła pociągowa jest ważniejsza niż moc. Silniki Diesla mogą być konkurencyjne dla powolnego ruchu towarowego (co jest powszechne w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych), ale nie dla ruchu pasażerskiego lub mieszanego pasażersko-towarowego, jak na wielu europejskich liniach kolejowych, zwłaszcza tam, gdzie ciężkie pociągi towarowe muszą jeździć ze stosunkowo dużą prędkością ( 80 km/h lub więcej).

Czynniki te doprowadziły do ​​wysokiego stopnia elektryfikacji w większości krajów europejskich. W niektórych krajach, takich jak Szwajcaria, nawet elektryczne manewrowe są powszechne, a wiele prywatnych bocznic obsługiwanych jest przez lokomotywy elektryczne. W czasie II wojny światowej , kiedy materiały do ​​budowy nowych lokomotyw elektrycznych nie były dostępne, Szwajcarskie Koleje Federalne zainstalowały elektryczne elementy grzejne w kotłach niektórych parowych manewrowych , zasilanych z sieci, aby poradzić sobie z niedoborem importowanego węgla. W Szwecji stosowano nawet elektryczne obrotowe pługi śnieżne, takie jak obrotowy pług śnieżny A4.

Elektryczny odśnieżacz rotacyjny Szwedzkich Kolei Państwowych A4

Ostatnie wydarzenia polityczne w wielu krajach europejskich mające na celu poprawę transportu publicznego doprowadziły do ​​kolejnego impulsu dla trakcji elektrycznej. Ponadto zamykane są luki na niezelektryfikowanym torze, aby uniknąć wymiany lokomotyw elektrycznych na diesle na tych odcinkach. Niezbędna modernizacja i elektryfikacja tych linii jest możliwa dzięki finansowaniu infrastruktury kolejowej przez państwo.

Brytyjskie elektryczne zespoły trakcyjne zostały po raz pierwszy wprowadzone w latach 90. XIX wieku, obecne wersje zapewniają transport publiczny, a ponadto istnieje szereg klas lokomotyw elektrycznych, takich jak: klasa 76 , klasa 86 , klasa 87 , klasa 90 , klasa 91 i klasa 92 .

Rosja i były ZSRR

Sowiecka lokomotywa elektryczna VL60 p k (ВЛ60 п к ), ok. 1930 r. 1960
Radziecka lokomotywa elektryczna VL-23 (ВЛ-23)

Rosja i inne kraje byłego ZSRR mają mieszankę 3000 V DC i 25 kV AC ze względów historycznych.

Specjalne „stacje węzłowe” (około 15 nad byłym ZSRR – Włodzimierz , Mariinsk koło Krasnojarska itp.) mają okablowanie przełączalne z prądu stałego na prąd zmienny. Wymiana lokomotyw jest niezbędna na tych stacjach i jest wykonywana razem z przełączaniem okablowania styków.

Większość lokomotyw radzieckich, czeskich (ZSRS zamówił w Škodzie pasażerskie lokomotywy elektryczne ), rosyjskich i ukraińskich może pracować tylko na AC lub DC. Na przykład VL80 to maszyna AC, a VL10 wersja DC. Istniało kilka pół-eksperymentalnych małych serii, takich jak VL82, które można było zmienić z AC na DC i były używane w niewielkich ilościach w mieście Charków na Ukrainie . Również najnowsza rosyjska lokomotywa pasażerska EP10 jest systemem dualnym.

Historycznie dla uproszczenia używano 3000 V DC. Pierwszy eksperymentalny tor znajdował się w gruzińskich górach, następnie zelektryfikowano strefy podmiejskie największych miast dla EMU - bardzo korzystne ze względu na znacznie lepszą dynamikę takiego pociągu w porównaniu z parowym, co jest ważne dla obsługi podmiejskiej z częstymi postojami . Następnie zelektryfikowano dużą linię górską między Ufą a Czelabińskiem .

Przez pewien czas koleje elektryczne uważano za odpowiednie tylko dla linii podmiejskich lub górskich. Około 1950 roku podjęto decyzję (według legendy przez Józefa Stalina ) o zelektryfikowaniu silnie obciążonej równinnej linii preriowej Omsk - Nowosybirsk . Po tym, elektryfikacja głównych linii kolejowych pod napięciem 3000 V DC stała się głównym nurtem.

25 kV AC rozpoczęło się w ZSRR około 1960 roku, kiedy przemysłowi udało się zbudować lokomotywę z silnikiem prądu stałego opartą na prostowniku (wszystkie radzieckie i czeskie lokomotywy prądu przemiennego były takie; tylko te postsowieckie przeszły na silniki indukcyjne sterowane elektronicznie) . Pierwszą główną linią zasilaną prądem przemiennym była Mariańsk-Krasnojarsk-Tajszet-Zima; poszły linie w europejskiej Rosji, takie jak Moskwa-Rostów nad Donem.

W latach 90. niektóre linie prądu stałego zostały przebudowane na prąd przemienny, aby umożliwić korzystanie z ogromnej lokomotywy prądu przemiennego o mocy 10 MWt VL85. Jedną z nich jest linia wokół Irkucka . Lokomotywy DC uwolnione w wyniku tej przebudowy zostały przeniesione do regionu Sankt Petersburga.

Trans-Siberian Railway został częściowo zelektryfikowana od 1929 roku, od 2002 roku całkowicie System jest 25 kV AC 50 Hz po stacji skrzyżowania Mariinsk koło Krasnojarska, 3000 V DC przed nim, a ciężary kolejowe są do 6000 ton.

Ameryka północna

Kanada

W przeszłości Kanada używała różnych lokomotyw elektrycznych, głównie do przewożenia pasażerów i ładunku przez słabo wentylowane tunele. Lokomotywy elektryczne , które były używane w Kanadzie to St . Clair Tunnel Co . Boxcab Electric , CN Boxcab Electric i GMD GF6C . Podobnie jak w USA, elastyczność lokomotyw spalinowych i stosunkowo niski koszt ich infrastruktury sprawiły, że zwyciężyły, chyba że ograniczenia prawne lub operacyjne dyktują wykorzystanie energii elektrycznej. Doprowadziło to do ograniczonej elektrycznej infrastruktury kolejowej, a tym samym do lokomotyw elektrycznych działających w dzisiejszej Kanadzie. Dziś istnieją dwa przykłady:

W przyszłości GO Transit z Toronto planuje eksploatować flotę nowych lokomotyw elektrycznych w ramach inicjatywy Regional Express Rail . Badana jest również możliwość wykorzystania lokomotyw na wodorowe ogniwa paliwowe.

Stany Zjednoczone

Lokomotywy elektryczne służą do pociągów pasażerskich na Amtrak „s Northeast Corridor między Waszyngtonie i Bostonie , z odgałęzieniem do Harrisburg w Pensylwanii , a na niektórych kolejowych podmiejskich linii. Systemy komunikacji zbiorowej i inne zelektryfikowane linie podmiejskie wykorzystują elektryczne zespoły trakcyjne , w których każdy samochód jest zasilany. Wszystkie inne dalekobieżne usługi pasażerskie oraz, z rzadkimi wyjątkami , cały towar przewożony jest przez lokomotywy spalinowo-elektryczne.

W Ameryce Północnej elastyczność lokomotyw spalinowych i stosunkowo niski koszt ich infrastruktury sprawiły, że zyskały one przewagę, chyba że ograniczenia prawne lub operacyjne narzucają wykorzystanie energii elektrycznej. Przykładem tego ostatniego jest wykorzystanie lokomotyw elektrycznych przez Amtrak i koleje podmiejskie na północnym wschodzie. Korytarz New Jersey Transit w Nowym Jorku wykorzystuje lokomotywy elektryczne ALP-46 , ze względu na zakaz eksploatacji oleju napędowego na stacji Penn oraz prowadzących do niego tunelach Hudson i East River . Niektóre inne pociągi do Penn Station korzystają z lokomotyw dwutrybowych, które mogą również działać z zasilaniem trzeciej szyny w tunelach i na stacji.

W epoce pary niektóre obszary górskie zostały zelektryfikowane, ale zaprzestano ich produkcji. Węzeł między zelektryfikowanym i niezelektryfikowanym terytorium jest miejscem zmian silnika; na przykład pociągi Amtrak przedłużyły przystanki w New Haven w stanie Connecticut , ponieważ lokomotywy zostały zamienione, co przyczyniło się do podjęcia decyzji o elektryfikacji odcinka New Haven do Bostonu w korytarzu północno-wschodnim w 2000 roku.

Azja

Chiny

Dwa pojazdy China Railway HXD3D ciągnące dalekobieżny pociąg pasażerski.

Chiny mają ponad 100 000 kilometrów (62 000 mil) zelektryfikowanej linii kolejowej. Większość pociągów towarowych i dalekobieżnych pociągów pasażerskich jest obsługiwana przy użyciu lokomotyw elektrycznych dużej mocy, zwykle przekraczającej 7200 kilowatów (9700 KM) mocy wyjściowej. Ciężki ładunek jest przewożony za pomocą lokomotyw wielosekcyjnych o bardzo dużej mocy, sięgających do 28 800 kilowatów (38 600 KM) w serii sześciosekcyjnych lokomotyw elektrycznych „Shen 24”.

Indie

Koleje indyjskie 12 000 KM towarowa lokomotywa elektryczna klasy towarowej WAG-12
Lokomotywa elektryczna klasy pasażerskiej WAP-7 Indian Railways
Lokomotywa elektryczna Indian Railways klasy towarowej WAG-9

Wszystkie główne linie zelektryfikowane w Indiach korzystają z napowietrznej elektryfikacji prądu przemiennego 25 kV przy częstotliwości 50 Hz. Według stanu na marzec 2017 r. Koleje Indyjskie przewożą 85% ruchu towarowego i pasażerskiego lokomotywami elektrycznymi, a 45 881 km linii kolejowych zostało zelektryfikowanych.

Japonia

Japońska lokomotywa elektryczna EF65

Japonia zbliżyła się do całkowitej elektryfikacji, głównie ze względu na stosunkowo krótkie odległości i górzysty teren, które sprawiają, że usługi elektryczne są szczególnie opłacalną inwestycją. Ponadto połączenie frachtu z obsługą pasażerów jest ważone znacznie bardziej w kierunku obsługi pasażerów (nawet na obszarach wiejskich) niż w wielu innych krajach, co pomogło w zwiększeniu inwestycji rządowych w elektryfikację wielu odległych linii. Jednak te same czynniki skłaniają operatorów kolei japońskich do preferowania EMU nad lokomotywami elektrycznymi. Przeniesienie lokomotyw elektrycznych do transportu towarowego i wybranych usług dalekobieżnych, dzięki czemu zdecydowana większość taboru elektrycznego w Japonii jest eksploatowana za pomocą EMU.

Australia

Oba Victorian Railways i Nowa Południowa Walia Koleje rządowe , które zapoczątkowane trakcji elektrycznej w Australii na początku 20 wieku i nadal działają 1500 V prądu stałego elektryczne zespoły trakcyjne , wycofały swoje lokomotyw elektrycznych.

W obu państwach wykorzystanie lokomotyw elektrycznych na głównych trasach międzymiastowych okazało się sukcesem kwalifikowanym. W Victorii, ponieważ tylko jedna główna linia (linia Gippsland ) została zelektryfikowana, korzyści ekonomiczne trakcji elektrycznej nie zostały w pełni zrealizowane ze względu na konieczność zmiany lokomotyw na pociągi wyjeżdżające poza zelektryfikowaną sieć. Flota lokomotyw elektrycznych VR została wycofana z eksploatacji do 1987 r., a elektryfikacja linii Gippsland została zdemontowana do 2004 r. Lokomotywy klasy 86 wprowadzone do NSW w 1983 r. miały stosunkowo krótką żywotność, ponieważ koszty wymiany lokomotyw na krańcach zelektryfikowanej sieci wyższe opłaty pobierane za energię elektryczną spowodowały, że lokomotywy spalinowo-elektryczne wdarły się do zelektryfikowanej sieci. Pociągi z napędem elektrycznym są nadal wykorzystywane do miejskich przewozów pasażerskich.

Queensland Rail wdrożyło elektryfikację stosunkowo niedawno i wykorzystuje nowszą technologię prądu przemiennego 25 kV z około 1000 km sieci wąskotorowej obecnie zelektryfikowanej. Posiada flotę lokomotyw elektrycznych do transportu węgla na eksport, z których ostatni to klasa 3300/3400 o mocy 3000 kW (4020 KM). Queensland Rail obecnie przebudowuje lokomotywy klasy 3100 i 3200 na lokomotywy klasy 3700, które wykorzystują trakcję AC i potrzebują tylko trzech lokomotyw na pociąg węglowy zamiast pięciu. Queensland Rail otrzyma 30 lokomotyw klasy 3800 od Siemensa w Monachium w Niemczech, które przybędą od końca 2008 do 2009 roku. QRNational (węgiel i fracht Queensland Rail po rozdzieleniu) zwiększył zamówienie na lokomotywy klasy 3800. Nadal przybywają pod koniec 2010 roku.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Zewnętrzne linki