Меню

Преимущество системы постоянного тока

Постоянный и переменный ток

Электричество – это тип энергии, передаваемый движением электронов через проводящий материал. Например, металлы представляют собой материалы с высокой электропроводностью и позволяют легко перемещать электроны. Внутри проводящего материала электроны могут двигаться в одном или нескольких направлениях.

Электрический ток

Понятие о постоянном и переменном токе

Что такое постоянный ток, определяется из характера движения электрозарядов. Аналогично можно установить, что такое переменный ток.

  1. Когда поток электрозарядов задан в одном направлении, он считается постоянным током;
  2. Когда электронный поток меняет направление и интенсивность во времени, он называется переменным током. Причем изменения идут циклически, по синусоидальному закону.

Большинство современных электросетей используют переменный электрический ток, производящийся на электростанциях соответствующими генераторами.

Графики постоянного и переменного токов

Графики постоянного и переменного токов

Постоянный ток (DC) генерируется батареями, топливными элементами и фотоэлектрическими модулями. Существуют и генераторы постоянного тока. Другое его получение – преобразование из однофазного и трехфазного переменного тока (АС) с помощью выпрямительных устройств.

В обратном случае АС может быть получен из DC, используя инверторы, хотя технология здесь несколько сложнее.

История

В природе электричество встречается относительно редко: оно генерируется только несколькими животными и существует в некоторых природных явлениях. В поисках искусственной генерации потока электронов ученые поняли, что можно заставить электроны проходить через металлическую проволоку или другой проводящий материал, но только в одном направлении, так как они отталкиваются от одного полюса и притягиваются к другому. Так родились батареи и генераторы постоянного тока. Изобретение приписывается, в основном, Томасу Эдисону.

В конце 19-го века другой известный ученый, Никола Тесла, разрабатывал способы получения переменного тока. Основными причинами работ в этой области явились обнаруженные недостатки постоянного тока при передаче электроэнергии на большие дистанции. Оказалось, что для переменного тока гораздо проще повысить напряжение передающих линий, тем самым уменьшив потери и получив возможность транспортировки больших объемов электрической энергии, а эффективно повысить напряжение на линиях с постоянным током в те времена было неосуществимо.

Для получения переменного тока Тесла использовал вращающееся магнитное поле. Если МП изменяет направленность, направление электронного потока также варьируется, и генерируется переменный ток.

Изменение направления в электронном потоке осуществляется очень быстро, много раз в секунду. Измерения частоты производятся в герцах (равных циклам в секунду). Таким образом, переменный ток частоты 50 Гц можно представить, как выполнение 50 циклов в секунду. В каждом цикле электроны изменяют направление и возвращаются к первоначальному, поэтому поток электронов изменяет направленность 100 раз в секунду.

Сравнительные характеристики постоянного и переменного токов

Разница между двумя видами токов заключена в их природе и вытекающих из этого свойствах.

Отличие постоянного тока от переменного:

  1. При переменном токе изменяется направленность и интенсивность электронного потока, при постоянном – она неизменна;
  2. Частота постоянного тока не может существовать. Это понятие применимо только для переменного тока;
  3. Полюсы (плюс и минус) всегда одинаковы в электроцепи постоянного тока. В электроцепи переменного тока положительные и отрицательные полюса меняются с периодическими интервалами;
  4. При передаче переменного тока напряжение легко преобразуется и транспортируется с приемлемым уровнем потерь.

Изменение полярности подключения DC может привести к необратимому повреждению устройств. Чтобы этого избежать, на оборудовании обычно ставятся обозначения полюсов. Аналогично контакты отличаются традиционным использованием металлической пружины для отрицательного полюса и пластины – для положительного. В устройствах с перезаряжаемыми батареями трансформатор-выпрямитель имеет выход, так что соединение выполняется только одним способом, что предотвращает инверсию полярности.

Обозначение полярности на аккумуляторе

Обозначение полярности на аккумуляторе

В крупномасштабных установках, например, на телефонных станциях и другом телекоммуникационном оборудовании, где имеется централизованное распределение постоянного тока, используются специальные соединительные и защитные элементы,

Постоянный и переменный ток имеют свои достоинства и недостатки, отражающиеся на области их применения. По преимуществу широта использования переменного тока объясняется легкостью его преобразования.

Различия при транспортировке

Когда ток течет, часть энергии электронов преобразуется в тепло, благодаря активному сопротивлению проводов. Электрические нагреватели тоже основаны на этом эффекте. В конце линии меньше энергии передается потребителю. Рассеиваемые мощности называются потерями. Для уменьшения потерь применяется повышение напряжения при транспортировке. Эти физические зависимости применимы и к постоянному, и к переменному току, однако при реализации схем передачи возникают различия.

Достоинства и недостатки переменного тока

При начале строительства передающих электросетей использование трансформаторов было единственной возможностью получать высокие напряжения и затем снижать их до нужного уровня при распределении к потребителям. Такая технология называлась трансформаторной, и до сих пор структура транспортировки электроэнергии не изменилась. Почти повсеместно используется переменный ток, который представляет собой трехфазные системы.

ЛЭП переменного тока

ЛЭП переменного тока

Позже стали конструироваться и линии постоянного тока, которые последние годы используются все шире. Возросший интерес к их применению объясняется существенными недостатками систем переменного тока: в длинных линиях потери электроэнергии значительны. Причинами их являются наличие емкостного и индуктивного сопротивлений.

  1. При быстрой смене направления потока электронов наблюдается похожий на перезарядку конденсаторов эффект. Возникают дополнительные емкостные токи. Особенно это сказывается на наземных и подводных кабелях, изолирующий слой которых обладает высоким конденсаторным эффектом;
  2. Индуктивное сопротивление линий появляется потому, что электрические токи генерируют магнитные поля, меняющиеся с частотой тока. Появляются индуктивные токи.

Важно! Оба вида реактивных сопротивлений возрастают с увеличением протяженности линий.

Достоинства переменного тока:

  • легкая трансформация напряжения;
  • возможность комбинирования различных систем передачи;
  • возможность использования общесистемной частоты.

Недостатки переменного тока:

  • необходимость компенсации реактивной мощности при транспортировке на значительные расстояния;
  • сравнительно высокие потери.

Достоинства и недостатки постоянного тока

В первую очередь, чем отличается переменный ток от постоянного, – это присутствием источников потерь на реактивную энергию. Однако постоянный электрический ток предполагает потери на нагрев. Точное их определение зависит от технологии и уровня напряжения. Для высоких напряжений – около 3% на 1000 км.

Другим источником потерь в системах электропередачи на постоянном токе служат подстанции для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот. Суммарные потери намного ниже, чем для переменного тока, но существенными являются материальные затраты на строительство этих подстанций.

Оборудование для высоковольтной ЛЭП постоянного тока

Оборудование для высоковольтной ЛЭП постоянного тока

Важно! Для повышения рентабельности линий электропередачи на постоянном токе применяются ЛЭП большой длины.

Техническое развитие в последнее время получила передача электроэнергии на постоянном токе, благодаря разработке новых электронных компонентов для создания высоких уровней напряжения постоянного тока – высокопроизводительных тиристоров или биполярных транзисторов.

Интересно. Сегодня возможны системы передачи постоянного тока с напряжением до 800 кВ и пропускной способностью до 8000 мВт на расстояние более 2000 км.

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

  • возможность передачи мощности по подводным, наземным и подземным кабельным линиям на большие расстояния;
  • нет потерь из-за реактивной мощности;
  • лучшее использование изоляции кабелей.

Недостатки высоковольтных ЛЭП постоянного тока:

  • недостаточно быстрая коммутация существующих каналов постоянного тока;
  • мало стандартизированной электротехники;
  • не развиты распределительные сети передачи электроэнергии, транспортировка ведется от пункта до пункта.

Другие варианты применения постоянного и переменного тока

  1. DC идеально подходит для зарядки аккумуляторов и батарей элементов. Им нужно такое питание, потому что зарядная мощность всегда должна идти в одном направлении. Соответственно, устройства, работающие от аккумуляторов, также нуждаются в DC, например, фонарик или ноутбук;
  2. Телевидение, радио, компьютерная техника используют DC;
  3. Используемые в промышленности и в быту электродвигатели работают как на АС, так и на DC. То же относится к плитам, утюгам, чайникам и лампам накаливания;
  4. DC нужен для установок электролиза, где важно наличие неизменных полюсов. Только иногда полярность соблюдать не обязательно, в частности при электролизе газов. Тогда может применяться переменный электроток;
  5. Около половины мировых контактных сетей железнодорожного транспорта используют DC. В начале развития электрифицированных железных дорог были попытки применения трехфазных двигателей, но создание контактной сети для них столкнулось с проблемами. На DC работает городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы, метро. Другой способ устройства железнодорожных контактных сетей – применение одной фазы переменного тока;
Читайте также:  Второй закон кирхгофа для электрической цепи с источником тока

Контактная сеть железных дорог

Контактная сеть железных дорог

  1. Для измерения токов, напряжений и мощности существуют приборы. Есть работающие только на DC, как магнитоэлектрические амперметры, а также использующие только АС, как индукционные счетчики. Часто используют универсальную измерительную технику.

Оба вида тока востребованы и применяются в различных областях. Какой из них использовать, зависит от принципа работы электрооборудования и приборов.

Видео

Источник

Преимущества постоянного тока

Преимущества постоянного тока

При всех несомненных достоинствах переменного тока (простота производства и распространения, надежность и эффективность используемого самого разнообразного оборудования), есть определенные сферы, где постоянный ток прочно удерживает свои лидирующие позиции.

Прежде всего, это относится к электроприводам. Двигатели на постоянном токе позволяют формировать самые разнообразные электротехнические характеристики, которые недоступны при использовании переменного тока.

Их использование имеет главное преимущество в том, что обеспечивает достаточно широкий диапазон регулирования при относительной простоте его осуществления. Например, можно обеспечить необходимую скорость вращения ротора практически под любой нагрузкой.

Именно поэтому электродвигатели постоянного тока используются в качестве главных силовых агрегатов таких транспортных средств, как поезда метро, троллейбусы и трамваи.

Сегодня наиболее эффективными способами управления приводами на постоянном токе являются системы, предусматривающие тиристорно-импульсное регулирование.

Также есть определенная техника и технологии, которые предусматривают использование только постоянного тока. Это, прежде всего, электрохимические установки, использующие электролиз, специальные плавильные печи, а также различные автономные системы, использующие в качестве источника электроэнергии постоянный ток. В последнем случае диапазон применения достаточно велик: от освещения шахт до обеспечения жизнедеятельности космических станций на орбите.

В некоторых случаях использование постоянного тока является даже предпочтительным. В качестве примера можно привести следующие области его применения:

— доставка электроэнергии между источником и потребителем, которые находятся на достаточно удаленном друг от друга месте без использования промежуточного оборудования;

— возможность увеличения мощности уже имеющейся сети в тех случаях, когда прокладка дополнительных линий затруднена или не является экономически оправданной;

— передача электроэнергии между системами, которые не синхронизированы между собой;

— стабилизация стандартных электросетей переменного тока;

— снижение потерь от коронных разрядов.

Весьма характерным примером использования постоянного тока являются подводные кабели, так как их большая длина при использовании переменного тока имеет слишком высокую емкостную составляющую. Это вызывает дополнительные потери при транспортировке.

Источник

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

В современном мире каждый человек с детства сталкивается с электричеством. Первые упоминания об этом природном явлении относятся к временам философов Аристотеля и Фалеса, которые были заинтригованы удивительными и загадочными свойствами электрического тока. Но лишь в 17 веке великие ученые умы начали череду открытий, касающихся электрической энергии, продолжающихся по сей день.

Открытие электрического тока и создание Майклом Фарадеем в 1831 г. первого в мире генератора кардинально изменило жизнь человека. Мы привыкли, что нашу жизнь облегчают приборы, работающие с использованием электрической энергии, но до сих пор у большинства людей нет понимания этого важного явления. Для начала, чтобы понять основные принципы электричества, необходимо изучить два основных определения: электрический ток и напряжение.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое электрический ток и напряжение

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:

  • сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
  • мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
  • частота, измеряемая в герцах (Гц).

Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.

Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.

Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.

Что такое переменный ток

Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.

Что такое постоянный ток

Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.

Источники электрического тока

Источником электрического тока обычно называется прибор или устройство, с помощью которого в цепи можно создать электрический ток. Такие устройства могут создавать как переменный ток, так и постоянный. По способу создания электрического тока они подразделяются на механические, световые, тепловые и химические.

Механические источники электрического тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Таким оборудованием являются различного рода генераторы, которые за счет вращения электромагнита вокруг катушки асинхронных двигателей вырабатывают переменный электрический ток.

Световые источники преобразуют энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников при воздействии на них светового потока выдавать напряжение. К такому оборудованию можно отнести солнечные батареи.

Тепловые – преобразуют энергию тепла в электричество за счет разности температур двух пар контактирующих полупроводников – термопар. Величина тока в таких устройствах напрямую связана с разностью температур: чем больше разница – тем больше сила тока. Такие источники применяются, например, в геотермальных электростанциях.

Читайте также:  Как изготовить источник тока дома

Химический источник тока производит электричество в результате химических реакций. Например, к таким устройствам можно отнести различного рода гальванические батареи и аккумуляторы. Источники тока на основе гальванических элементов обычно применяются в автономных устройствах, автомобилях, технике и являются источниками постоянного тока.

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров. Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.

В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.

Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам. В качестве примера такого устройства можно привести блоки бесперебойного питания, инверторы в автомобилях или, например, в солнечных электростанциях.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Обозначения на электроприборах и схемах

Часто возникает потребность в том, чтобы определить на каком токе работает устройство. Ведь подключение устройства, работающего на постоянном токе в электрическую сеть переменного тока, неминуемо приведет к неприятным последствиям: повреждению прибора, возгоранию, электрическому удару. Для этого в мире существуют общепринятые условные обозначения для таких систем и даже цветовая маркировка проводов.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Условно, на электроприборах, работающих на постоянном токе указывается одна черта, две сплошных черты или сплошная черта вместе с пунктирной, расположенные друг под другом. Также такой ток маркируется обозначением латинскими буквами DC. Электрическая изоляция проводов в системах постоянного тока для положительного провода окрашена в красный цвет, отрицательного в синий или черный цвет.

На электрических аппаратах и машинах переменный ток обозначается английской аббревиатурой AC или волнистой линией. На схемах и в описании устройств его также обозначают двумя линиями: сплошной и волнистой, расположенных друг под другом. Проводники в большинстве случаев обозначаются следующим образом: фаза – коричневым или черным цветом, ноль – синим, а заземление желто-зеленым.

Почему переменный ток используется чаще

Выше мы уже говорили о том, почему переменный ток в настоящее время используется чаще, чем постоянный. И все же, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Споры о том, какой же ток в использовании лучше идет со времен открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как «война токов» — противоборство Томаса Эдисона и Николы Теслы за использование одного из видов тока. Борьба между последователями этих великих ученых просуществовала вплоть до 2007 года, когда город Нью-Йорк перевели на переменный ток с постоянного.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Самая главная причина, по которой переменный ток используется чаще – это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями . Чем больше расстояние между источником тока и конечным потребителем, тем больше сопротивление проводов и тепловые потери на их нагрев.

Для того, чтобы получить максимальную мощность необходимо увеличивать либо толщину проводов (и уменьшать тем самым сопротивление), либо увеличивать напряжение.

В системах переменного тока можно увеличивать напряжение при минимальной толщине проводов тем самым сокращая стоимость электрических линий. Для систем с постоянным током доступных и эффективных способов увеличивать напряжение не существует и поэтому для таких сетей необходимо либо увеличивать толщину проводников, либо строить большое количество мелких электростанций. Оба этих способа являются дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость электроэнергии в сравнении с сетями переменного тока.

При помощи электротрансформаторов напряжение переменного тока эффективно (с КПД до 99%) можно изменять в любую сторону от минимальных до максимальных значений, что тоже является одним из важных преимуществ сетей переменного тока. Применение трехфазной системы переменного тока еще больше увеличивает эффективность, а механизмы, например, двигатели, которые работают в электросетях переменного тока намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и при передаче электрической энергии на большие расстояния, а для точной и эффективной работы электронных приборов и для автономных устройств целесообразно использовать постоянный ток.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Как условно обозначаются элементы на электрических схемах?

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Источник



Системы электрической тяги

В настоящее время в мире имеют место различные системы тяги как постоянного, так и переменного тока.
Система тяги постоянного тока. Исторически первой появилась система тяги постоянного тока. Этому способствовали возникновение первых электротехнических отраслей, которые использовали технику постоянного тока, достаточно хорошо изученную к тому времени. Был создан двигатель постоянного тока, имевший наилучшие тяговые характеристики среди известных тогда двигателей. Система оказалась настолько удачной, что, появившись в конце прошлого века, успешно функционирует и в наши дни. Существуют различные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся, в основном, уровнем подводимого к электроподвижному составу (ЭПС) напряжением — от 750 до 3000 вольт. На рис. 23 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.
Недостаток этой системы состоит в необходимости преобразования переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции получают электроэнергию от электроэнергетических систем общего назначения с высоким уровнем напряжения (чаще всего 110…220 кВ). На тяговых подстанциях постоянного тока происходит преобразование энергии переменного тока высокого напряжения в энергию постоянного тока с уровнем напряжения, необходимым для работы цепей тяговых двигателей (чаще всего 3000 В). На большинстве отечественных подстанций постоянного тока имеет место двойная трансформация, что и отражено на рис. Промежуточный уровень напряжения (обычно 10 кВ) используется для питания нетяговых железнодорожных потребителей.

Читайте также:  Защита светодиода по току драйвер

Рис. 1. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ. на рисунке А, В, С – фазы ЛЭП; ПТ – понижающий трансформатор; Р – шины нетяговых (районных потребителей); ТТ – тяговый трансформатор; ПВ – полупроводниковый выпрямитель; НВ – нейтральная вставка; ЭПС – электроподвижной состав

Достоинства и недостатки системы тяги постоянного тока 3 кВ.

Достоинством системы тяги постоянного тока являются: 1. Слабое электромагнитное влияние на смежные устройства электрических железных дорог, 2. Отсутствие реактивных потоков по тяговым сетям и, вследствие этого, исключение необходимости использования средств компенсации реактивной мощности.

К основным недостаткам следует отнести:
1.Низкий уровень напряжения в тяговой сети и малые расстояния между тяговыми подстанциями (в среднем 15 км).
2. Значительное гальваническое влияние на подземные коммуникации (оболочки кабелей, трубопроводы и др.), устройства пути (крепежные элементы), и арматуру контактной сети, что приводит к их коррозии.
3. Относительно большое сечение проводов контактной сети и значительный расход цветных металлов.
4. Сложность тяговых подстанций.
5. Наличие пусковых реостатов на электроподвижном составе, приводящих к значительным потерям при пуске. Это особенно проявляется на ЭПС пригородного сообщения с частыми остановками и пусками.

Пути совершенствования систем электрической тяги постоянного тока 3 кВ.

Системы тяги постоянного тока остаются эффективным транспортным средством. Их технико-экономические показатели не уступают другим системам в пригородном пассажирском электрическом транспорте и метрополитена.

Подстанции. Тяговые подстанции, располагающиеся через несколько километров, получают переменный ток высокого напряжения из электрической сети общего назначения и с помощью трансформаторов и выпрямителей преобразуют его в постоянный ток пониженного напряжения. Входные цепи переменного тока и выходные постоянного защищены быстродействующей коммутационной аппаратурой, отключающей оборудование в случае возникновения токов короткого замыкания.
Уровень напряжения и мощность ТП зависят от многих факторов, например, типа ЭПС, интенсивности движения и т.д.
Для того чтобы система электроснабжения соответствовала энерговооруженности современного подвижного состава, необходимо увеличение мощности, поступающей от тяговых подстанций. Это связано со следующими факторами:

  • Необходимостью обеспечения повышенных ускорений и высоких скоростей движения, что обусловливает более высокие пиковые нагрузки;
  • Повышение интенсивности движения поездов приводит к росту доли работы системы в режиме полной нагрузки.
  • Повышение уровня комфорта для пассажиров связано с увеличением мощности для питания бортовых систем подвижного состава.

Трансформаторы. Прогресс в трансформаторостроении позволяет изготавливать их с меньшими габаритами и массой. Это делает возможным использование таких трансформаторов для закрытых распределительных устройств. В то время как трансформаторы для открытых распределительных устройств в системах тяги переменного тока, обычно выполняются с жидкостным охлаждением.
Отказ от применения дорогостоящих и подчас опасных охлаждающих жидкостей обусловливает дальнейшее совершенствование сухих трансформаторов открытого типа. Устранение жидкости из трансформаторов обеспечивает преимущества, выражающиеся в меньшей стоимости, габаритах, массе и объеме строительных работ. Нет надобности в системах улавливания трансформаторного масла в случае его аварийного разлива. Герметичные трансформаторы в виде литого блока практически не требуют технического обслуживания, что значительно снижает эксплуатационные расходы в расчете на весь жизненный цикл, а также более приемлемы с экологической точки зрения.

Выпрямители. В последние годы произошло много изменений в схемах и конструкции выпрямительных устройств для тягового применения. Эти изменения включают в себя переход на капсулированное (с помещением в герметичные кожухи) исполнение и многофазную последовательную мостовую схему без плавких предохранителей.

Прогресс в полупроводниковой технике привел к появлению капсюльных (пуговичных) силовых диодов, имеющих значительно большую мощность. За рубежом освоен выпуск устройств, рассчитанных на мощность до 2 МВт и напряжение 750 В, только с одним диодом в каждом фазовом плече, в то время как в более ранних конструкциях для получения той же мощности обычно приходилось включать в каждое фазовое плечо до пяти диодов. Кроме того, для удовлетворения все более жестких требований поставщиков электроэнергии, 6-фазные выпрямители повсеместно заменяют 12-, а в ряде случаев 24-фазными устройствами. Для повышения надежности и снижения уровня помех параллельные мостовые схемы заменяются последовательными.
Современные выпрямительные устройства тягового применения имеют достаточную перегрузочную способность, обеспечивающую надежность их работы на период действия защитных устройств. Значительная вероятность короткого замыкания на стороне выпрямленного напряжения делает проблему защиты выпрямителя весьма актуальной. Выключатели постоянного тока предназначены для защиты от короткого замыкания, и обеспечивают требуемый уровень безопасности. Если выключатель постоянного тока не сработает в течение 20 мс после возникновения короткого замыкания, то в следующие 80… 200 мс цепь будет отключена выключателем переменного тока. Благодаря гарантированной способности выпрямителя выдержать такую аварийную ситуацию до срабатывания выключателя переменного тока он остается полностью защищенным.

Коммутационная аппаратура. Выключатели постоянного тока за последнее время мало изменились. Типовым остается установленный на тележке выключатель выкатного типа, спроектированный с учетом требований по изоляции. Разработками последних лет являются бесконтактные полупроводниковые выключатели, но их применение, вероятно, будет ограничено из-за высокой стоимости и необходимости обеспечения изоляции цепей.

Блочные тяговые подстанции. В последнее время широкое распространение получили блочные (модульные) тяговые подстанции. В таких подстанциях коммутационная аппаратура переменного и постоянного тока, трансформаторы, выпрямители, и испытываются на заводе-изготовителе. Блок транспортируется на место, устанавливается на заранее подготовленный фундамент и подсоединяется к питающей сети переменного тока и к контактной сети постоянного тока.

Основными преимуществами блочных подстанций являются:

  • низкая стоимость, вследствие более низких расходов на строительство здания;
  • быстрота установки и ввода в эксплуатацию;
  • снижение отказов в эксплуатации;
  • облегчение пуска в эксплуатацию за счет выполнения полного цикла испытаний на заводе.

Рекуперативное торможение. При торможении кинетическая энергия подвижного состава преобразуется в электрическую и передается по контактной сети либо к другим тяговым нагрузкам (электровозам), либо, если тяговых нагрузок нет, с помощью специального инвертора передается в питающую сеть. Это экономит энергию, которая в случае торможения колодками теряется бесполезно.

При рекуперативном торможении напряжение в контактной сети повышается, и, если в пределах зоны питания той же тяговой подстанции движется другой поезд, находящийся в режиме тяги, он может получать энергию на движение, вырабатываемую тормозящим поездом.

Источник