Дизель или электричество: как современные поезда получают энергию

Пройдите вдоль платформы, и большинство поездов перед вами будут приводиться в движение электродвигателями, есть ли над головой провод или нет. Различается источник электричества. Дизельный поезд вырабатывает его на борту из топлива. Электричка получает его от самой железной дороги. Этот один выбор определяет ускорение, стоимость эксплуатации и то, какие линии стоит электрифицировать.

Дизель: три способа передать усилие на колёса

Дизельный двигатель лучше всего работает на довольно постоянной скорости, но поезд должен трогаться с места с огромной нагрузкой. Между двигателем и колёсами нужно что-то, что перекроет этот разрыв.

• Дизель-электрический. Двигатель вращает генератор, а вырабатываемое им электричество питает тяговые двигатели , которые вращают оси. Механической связи между двигателем и колёсами нет, поэтому двигатель может работать на своей лучшей скорости, а двигатели дают сильную тягу с места. Это обычная схема для магистральных локомотивов и многих моторвагонных секций.
• Дизель-гидравлический. Гидромуфта или гидротрансформатор передаёт мощность, примерно как в автомобиле с автоматом. Использовался на более лёгких локомотивах и автомотрисах, особенно в Германии.
• Дизель-механический. Сцепление и коробка передач, как в грузовике. Просто и подходит для небольших автомотрис и маневровых тепловозов, но становится неудобным по мере роста мощности.

Сам двигатель превращает примерно 35–45 процентов энергии топлива в мощность на валу, а генератор и двигатели теряют ещё немного. Дизель-электрический поезд — поэтому маленькая электростанция на колёсах. Его паровой предок делал ту же работу с котлом и цилиндрами, как описано в как работает паровоз.

Электричество: питание извне

Электричка берёт ток из контактной сети через токоприёмник, или от контактного рельса рядом с путём через башмак. Трансформатор и преобразователи на поезде подстраивают его для двигателей. Электродвигатели и их оборудование обычно имеют КПД от питания до колеса примерно выше 85 процентов, хотя общая цифра зависит и от того, как было выработано электричество.

Системы различаются по странам и часто являются наследием того, когда каждая линия была электрифицирована:

• 25 kV, 50 Hz AC контактная сеть: Великобритания, большая часть Европы и большинство новых высокоскоростных линий.
• 15 kV, 16.7 Hz AC контактная сеть: Германия, Швейцария, Австрия, Швеция и Норвегия.
• 3 kV DC контактная сеть: например, Италия, Бельгия и Польша.
• 1.5 kV DC контактная сеть: например, Нидерланды и часть Франции.
• контактный рельс 750 V DC: большая часть юга Англии.

Почему важно напряжение

Мощность равна напряжению, умноженному на ток, поэтому при одной и той же мощности более высокое напряжение требует меньшего тока. Поезд 5 MW требует около 200 A при 25 kV, но около 6,700 A при 750 V. При высоком напряжении достаточно более тонкого провода и меньшего числа точек питания. Поэтому контактная сеть 25 kV подходит для длинных быстрых маршрутов, а третий рельс 750 V — для плотных сетей на короткие расстояния с близко расположенными подстанциями. Рельс находится близко к земле, поэтому высокое напряжение там было бы небезопасно.

Почему электрички разгоняются сильнее

Дизельный поезд везёт источник энергии на себе, поэтому размер и вес двигателя ограничивают его мощность. Типичный магистральный дизельный локомотив даёт порядка 2–3 MW. Электровоз оставляет электростанцию позади и может брать из провода 5 MW и более, иногда гораздо больше. Больше мощности при той же массе означает более резкий разгон и более высокую максимальную скорость, что подходит для пригородных поездов и высокоскоростных линий.

Колёса всё равно должны держать сцепление. Поскольку сцепление стали со сталью ограничено, дополнительная мощность помогает только до точки, где колёса начинают буксовать.

Рекуперативное торможение

Электродвигатель может работать в обратном направлении как генератор. Когда машинист тормозит, тяговые двигатели превращают движение поезда обратно в электричество и отдают его в контактную сеть, где его может использовать другой поезд, или на резисторы на крыше, если сеть не может его принять. Экономия наибольшая на маршрутах с частыми остановками. Дизель-электрические поезда могут использовать тот же приём, но им некуда полезно отдать энергию, поэтому её обычно сжигают в резисторах в виде тепла.

Стоимость контактной сети и загрузка движения

Опоры, провод, подстанции и габариты мостов и тоннелей стоят дорого за каждый километр, и счёт одинаков, едут по линии десять поездов или сто. Электрички дешевле в эксплуатации и обслуживании, поэтому контактная сеть окупается там, где движение интенсивное. На тихой ветке она может никогда не окупиться. Многие железные дороги оставляют дизель для малолюдных линий и электрифицируют магистрали.

Противоположный пример — би-режимный поезд закрывает этот разрыв. Он несёт дизельные двигатели и токоприёмник, работает на электротяге под проводом и переходит на дизель там, где провод заканчивается. Примером служит семейство Class 800 в Британии. Компромисс — дополнительный вес, потому что он везёт двигатели, которые использует только часть времени.

В Valley Rail: Train Tycoon вы покупаете поезд, выбираете, куда он идёт, и он сам проходит маршрут, с шестью моделями поездов для пассажиров и грузов. Приложение находится на закрытом тестировании.

Что из этого вынести

• Дизель-электрический: двигатель, генератор, тяговые двигатели. Дизель-гидравлический и дизель-механический используют вместо этого жидкость или шестерни.
• Питание идёт от третьего рельса 750 V DC до контактной сети 25 kV 50 Hz AC; та же мощность при 25 kV требует примерно в тридцать раз меньше тока, чем при 750 V.
• Электрички берут энергию снаружи, поэтому её может быть больше, и при торможении они могут возвращать энергию.
• Контактная сеть — постоянные затраты на километр, поэтому она подходит для загруженных линий, а остальные обслуживают би-режимные поезда.