Почему в ж/д электровозах используются именно коллекторные двигатели постоянного тока?

Вопрос этот интересен тем, что коллекторный электродвигатель постоянного тока не является образцом энергоэффективности и надёжности. Так часть подводимой к нему электроэнергии уходит на питание обмоток возбуждения (обмотки статора). А ещё щёточно-коллекторный узел нужно инспектировать и обслуживать. Гораздо эффективнее было бы изначально устанавливать на те же советские электровозы серии ВЛ асинхронные электродвигатели. Но ведь нет же, не устанавливали. Давайте разберёмся, почему?

Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно пояснить, что на контактную сеть РЖД подаётся однофазное переменное напряжение 25 кВ и частотой 50 Гц. Строго говоря это напряжение может просаживаться и до 21 кВ, но не должно превышать 29 кВ. Сама контактная сеть включает в себя один токоведущий воздушный провод и рельсы. Да, рельсы тоже активно участвуют в процессе электроснабжении электровоза. Вся эта сеть питается от тяговой ж/д подстанции, в которую из энергосистемы вводится высокое трёхфазное напряжение 220 - 110 кВ.

Ну а дальше в тяговой подстанции это трёхфазное напряжение фактически преобразуется в однофазное 25 кВ. Такие подстанции расположены на всём протяжении через каждые 40 - 60 км, чтобы напряжение не проседало.

И отсюда у многих возникнет вопрос: а почему же нельзя подавать трёхфазный ток на контактную сеть? Зачем его преобразовывать в однофазный?

Это связано с тем, что однофазному току нужен всего лишь один воздушный провод, а трёхфазному нужно аж три. Три провода на всей протяжённости железной дороги тянуть дорого. И именно из-за экономических соображений трёхфазный ток на тяговой ж/д подстанции преобразуют в однофазный.

Таким образом через пантограф и контакт с рельсами этот однофазный ток напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц попадает в электровоз. И что же его там ждёт? Строго говоря, ничего хорошего. Потому что на сегодняшний день не существует асинхронных электродвигателей, которые бы работали на однофазном токе с высоким КПД. А те, что существуют, маломощные и ставятся в основном на бытовую технику, и их КПД не выше 60%. Разумеется, такой низкий КПД вообще никого не устроит.

То ли дело трёхфазные асинхронные электродвигатели! У них КПД доходит до 90%. Вот они очень даже хорошо подходят для использования в качестве мощных тяговых. Только вот проблема в том, что просто так взять и дёшево преобразовать однофазный ток в трёхфазный не получится. Если вы намотаете на сердечник трансформатора одну первичную обмотку и три вторичные, то на этих трёх вторичных обмотках вы получите три однофазных тока, никак не сдвинутых между собой по фазе. А ведь мы с вами знаем, что у трёхфазного тока угол сдвига составляет 120 градусов. И именно благодаря этому сдвигу появляется вращающееся магнитное поле.

Получается, что тот фокус, который мы проделали на тяговой подстанции, преобразовав трёхфазный ток в однофазный, в обратную сторону просто так провести не удаётся. Для этого сначала нужно в самом электровозе установить управляемый выпрямитель. Он сделает однофазный переменный ток постоянным. Затем этот выпрямленный ток нужно подать на ещё одно сложное и очень дорогое устройство под названием тяговый автономный инвертор. Вот как раз он и сделает из постоянного тока трёхфазный переменный с возможностью регулировки напряжения и частоты.

Ну и конечно же эти мощные инверторы стоят неприлично дорого. В советское время на всём экономили, и поэтому трёхфазный асинхронный электродвигатель, который заполонил всю промышленность, не смог "прописаться" в электровозе. И поэтому только современные, дорогие и новые ж/д локомотивы, в которые вбухано много денег, ездят на асинхронных электродвигателях с инверторами. А подавляющее большинство электровозов РЖД до сих пор старые, советские, иногда чешские, ездят на коллекторных электродвигателях постоянного тока.

Это значит, что подводимое к электровозу переменное напряжение просто выпрямляется в нём с возможностью регулировки величины напряжения. И это постоянное напряжение питает коллекторники. Потому что так дешевле и экономически эффективнее.

Zen.yandex