Почему в силовых кабелях троллейбусов используется постоянный ток, а не переменный?

Меня интересуют многие аспекты троллейбусов как способа перехода от автобусов, работающих на ископаемом топливе, к «зеленому» общественному транспорту.

Я сам не инженер-электрик, но у меня есть, хотя и ограниченное, понимание электротехники.

Читая характеристики доступных троллейбусов, кажется, что стандартный способ передачи энергии на них - по проводам постоянного тока (600 В). Насколько я знаю, передача тока на большие расстояния более эффективна при использовании переменного тока.

В чем причина использования постоянного тока для передачи энергии в этом случае?

Является ли передача энергии постоянного тока в этом случае более эффективной (нет тяжелых преобразователей энергии внутри транспортного средства, дешевле производить двигатели постоянного тока, более эффективные двигатели постоянного тока и т. д.), более безопасной для пешеходов или просто устаревшей?

Здесь нашел интересную дискуссию о переключении двигателей Tesla на двигатели с приводом от переменного тока: electronics.stackexchange.com/questions/58236/…
Тяговый двигатель - хорошая статья из вики исторически объясняет, почему используются двигатели постоянного тока.
@Andyaka: Хорошо, спасибо! «Доступность мощных полупроводников (тиристоров и IGBT) в настоящее время сделала практичным использование гораздо более простых и надежных асинхронных двигателей переменного тока, известных как асинхронные тяговые двигатели».
Переменный ток по сути ничем не лучше постоянного на расстоянии, но более высокое напряжение более эффективно. С переменным током относительно легко преобразовать напряжение с помощью трансформатора. Интересно, что в электропоездах часто используется переменный ток низкой частоты (<50 Гц).
@Frog на самом деле, хотя и удобен, переменный ток на самом деле менее эффективен. Скин-эффект увеличивает резистивные потери, эффекты линии передачи препятствуют передаче энергии, существуют индуктивные и емкостные потери (особенно для подводных кабелей) и т. д. Отчасти из-за этого существуют некоторые линии передачи постоянного тока, которые обрабатывают мощность как постоянный ток ( en.wikipedia.org/ wiki/High-voltage_direct_current ).
Требования к изолятору для переменного тока также связаны с пиковым напряжением, которое для переменного тока на 41% выше среднего. 600 В переменного тока имеет пиковое напряжение ~ 850 В. Это особенно важно для систем общественного транспорта, таких как троллейбусы, где напряжение по необходимости должно быть на открытом воздухе.
Вы можете сравнить с поездами/метро/трамваями . Многие системы используют постоянный ток, особенно городские/пригородные системы (метро, ​​легкорельсовый транспорт), работающие от 600–3000 В постоянного тока, но более трети французских железнодорожных сетей дальнего следования также используют 1500 В постоянного тока, и все они не являются высоковольтными. скоростные сети в Бельгии, Испании, Италии... 3000 В постоянного тока. Переменный ток используется только в системах с гораздо более высоким напряжением (15 кВ и выше). В Википедии есть сравнение переменного и постоянного тока для железных дорог.
Частично на этот вопрос дается ответ, когда мы понимаем, что воздушные провода предназначены для распределения, а не для передачи энергии , поэтому мы не переходим на более высокие напряжения, которые мы использовали бы в линии передачи.

Ответы (3)

Тележки с воздушными проводами часто на мгновение отключаются, а высокая индуктивность создает дугу того же тока, что обеспечивает некоторую непрерывность, но с некоторым падением напряжения или мощности. В то время как переменный ток может отключиться менее чем за 10 мс.

Но настоящая причина в том, что тяговые двигатели постоянного тока имеют больший эффективный крутящий момент, необходимый для запуска.

Вы можете увидеть некоторую кривую крутящего момента двигателя постоянного тока. Они соответствуют требованиям зависимости нагрузки от скорости лучше, чем двигатели переменного тока для ускорения троллейбуса с постоянным током, применяемым методом управления до тех пор, пока не будет достигнута скорость.

Еще одним преимуществом в Нидерландах являются троллейбусы постоянного тока с батареями для продления маршрутов. 18-метровому автобусу с технологией IMC500 нужно проехать только 20 процентов своего маршрута под воздушными линиями.

Я понимаю. Но почему бы вместо этого не поставить в транспортные средства выпрямитель постоянного тока?
В каждом автобусе на одну неисправность меньше.
Это имеет смысл, но в настоящее время внутри транспортных средств есть преобразователи постоянного тока для управления маломощной электроникой (например, экранами и т. д.). Я предполагаю, что все же предпочтительнее не иметь более мощный (и тяжелый) выпрямитель внутри, чтобы таскать его с собой. Но учитывая, что Tesla Motors переходит на двигатели переменного тока, аргумент с батареями мне не кажется таким уж сильным.
Tesla всегда использовала двигатели BLDC. Они просто перешли на двигатели с постоянными магнитами из-за более низкой стоимости, более эффективного пускового момента, но менее эффективного управления магнитным потоком на высоких скоростях.
Итак, если я правильно понимаю, в настоящее время двигатели с постоянными магнитами (Tesla) имеют более эффективный пусковой момент, чем тяговые двигатели постоянного тока.
Это сравнение яблок и апельсинов. Тяговые двигатели имеют последовательную обмотку для более низких скоростей, некоторые переключаются на параллельную обмотку при более высоких скоростях. Французы используют двигатели переменного тока, управляемые IGBT и SCR.
@Copiltembel вам понадобится однофазный переменный ток для использования со встроенным выпрямителем; Прокладка 3-фазных воздушных кабелей будет очень сложной, особенно в местах соединения (вероятно, потребуется встроенный накопитель энергии), и Транзистор решил, почему однофазный кабель намного хуже, чем трехфазный.
А как насчет рекуперативного торможения? Гораздо проще подавать питание обратно в источник постоянного тока, чем в источник переменного тока. Предполагая, что у трамвая есть «реверсивное» распределительное устройство, просто включите его в обратном направлении, когда вы хотите замедлить его движение вперед. Только не спрашивайте меня, что происходит на центральном вокзале, когда все трамваи в городе одновременно хотят притормозить.
@Copiltembel, « Но почему бы вместо этого не поставить выпрямитель постоянного тока внутри транспортных средств? » Единственная причина сделать это будет заключаться в том, что у вас есть надземная система сверхвысокого напряжения, но тогда вашему троллейбусу также придется тащить за собой здоровенный трансформатор.
По сути, когда вы подключаете реверсивные драйверы к току, ограниченному обратной связью регулирования тока ШИМ, это регенеративное торможение, за исключением того, что этот термин относится к батареям. 3-фазные датчики Холла и обмотки также должны быть правильно инвертированы для двигателей типа BLDC для изменения направления путем замены только 2 правильных пар из всех комбинаций пар (8) 1 пара датчиков и 1 пара обмоток. Тормозной ток часто совпадает с ускоряющим.
@SolomonSlow, « не спрашивайте меня, что происходит на центральном вокзале, когда все трамваи в городе хотят замедлить скорость одновременно ». Это достаточно просто. При регенерации напряжение местной сети повышается. На Dublin Area Rapid Tranisit (DART) вы могли почувствовать поток тепла из-под сидений во время рекуперативного торможения из-за повышения номинального напряжения на 1500 В постоянного тока. Когда линейное напряжение достигает некоторого заранее определенного максимального напряжения - возможно, 2 кВ - пневматические тормоза включаются и регенерация уменьшается.

Насколько я знаю, передача тока на большие расстояния более эффективна при использовании переменного тока.

Это правда, если вы можете увеличить напряжение. В случае троллейбуса провода находятся под напряжением «конечного потребителя» 600 В. Обратите внимание, что ВЛ будет разбита на изолированные участки, и они будут питаться от ближайшей троллейбусной подстанции. Подача на подстанцию, вероятно, будет где-то в районе 25–100 кВ (переменного тока) в зависимости от стандартных напряжений национальной сети. Таким образом, потери остаются низкими, поскольку секции 600 В постоянного тока достаточно короткие.

В чем причина использования постоянного тока для передачи энергии в этом случае?

  • Постоянная мощность. ДК всегда включен. AC находится в импульсах.
  • Более сбалансированная трехфазная нагрузка на подстанцию. Используется многофазный выпрямитель, и одна фаза всегда подает питание.
  • Возможность легкого возврата в линию при торможении.
  • Для данного напряжения пробоя изолятора постоянный ток позволяет передавать большую мощность.

введите описание изображения здесь

Рис. 1. Преобразование трехфазного тока в постоянный ток обеспечивает более сбалансированную нагрузку трехфазного источника питания. Однофазный источник переменного тока будет обеспечивать пульсирующую нагрузку на источник питания. Источник изображения: Учебники по электронике .

Является ли передача энергии постоянного тока в этом случае более эффективной (нет тяжелых преобразователей энергии внутри транспортного средства, дешевле производить двигатели постоянного тока, более эффективные двигатели постоянного тока и т. д.), более безопасной для пешеходов или просто устаревшей?

Вероятно, сочетание всего вышеперечисленного, кроме безопасности пешеходов. У постоянного тока есть проблема, заключающаяся в том, что переключение более сложное, поскольку нет перехода через нуль, когда ток падает до нуля, чтобы помочь погасить дугу переключения.

Из комментариев:

«Обратите внимание, что ВЛ будет разбита на изолированные участки, и они будут питаться от ближайшей троллейбусной подстанции». Это снова похоже на аргумент в пользу передачи переменного тока. Меньше подстанций, которые нужно обслуживать по пути.

Подстанции нужны для секционных выключателей в любом случае, так что особой экономии не будет. Они также допускают резервирование в случае отказа подстанции, когда каждая сторона может подавать питание на обесточенную секцию (путем шунтирования секций), хотя в результате будет некоторое падение напряжения.

Я предполагаю, что это имело смысл на заре троллейбусов, но в настоящее время, с доступностью дешевых электронных компонентов, я задаюсь вопросом, нет ли более сильного аргумента в пользу передачи энергии переменного тока.

Вы по-прежнему упускаете выгоду от более сбалансированной загрузки трехфазной системы, регенерации и затрат на высоковольтную изоляцию сети.

«Обратите внимание, что ВЛ будет разбита на изолированные участки, и они будут питаться от ближайшей троллейбусной подстанции». Это снова похоже на аргумент в пользу передачи переменного тока. Меньше подстанций, которые нужно обслуживать по пути. Я предполагаю, что это имело смысл на заре троллейбусов, но в настоящее время, с доступностью дешевых электронных компонентов, я задаюсь вопросом, нет ли более сильного аргумента в пользу передачи энергии переменного тока.
Вы путаете разные темы. Постоянный ток на самом деле имеет меньшие потери, чем переменный ток при передаче. Но что действительно является ключом к низким потерям, так это высокое напряжение, а переменный ток позволяет легко использовать трансформаторы для линий высокого напряжения. В троллейбусной системе нет допуска для использования очень высокого напряжения, используемого междугородними тяжелыми железными дорогами с контактной сетью.
«Возможность легкого возврата в линию при торможении». Это неправда. Для переменного тока обратная подача может быть просто преобразована через трансформатор обратно в сеть. Для постоянного тока необходимо специальное оборудование для подачи электроэнергии в сеть. Даже на некоторых железнодорожных линиях — где мощность, а значит, и польза гораздо больше — этого нет. Например, S Bahn Berlin не может подключиться к сети. Backfeed Power можно использовать только в том случае, если потребитель находится в том же разделе в то же время.
@ Кристиан, я специально сказал «в линию», а не в сетку. В остальном я согласен.
Также это позволяет им прокладывать только один провод, используя рельсы в качестве возврата.
@ Джошуа, я думаю, вы обнаружите, что определение троллейбуса - это транспортное средство с резиновыми шинами, питаемое двумя контактными проводами. Вы можете спутать его с трамваем, в котором используются стальные колеса с ребрами, движущиеся по рельсам.
@Transistor: На самом деле все немного проще. Мне удалось спутать троллейбус с троллейбусом.
@ Джошуа, Re, «только один провод ...» Нет причин, по которым система переменного тока не могла бы также использовать один воздушный провод и использовать рельсы в качестве возврата.
@SolomonSlow: Конструкции железнодорожного кондиционера разные. Нейтрала нет. Это очень отличается от современного мышления.
@ Джошуа, я собирался признаться, что не знаю, какие проблемы можно было бы решить, подключив одну ветвь источника переменного тока к Земле или изолировав источник питания от Земли; но, оглядываясь назад на ответ Транзистора, я вижу, что мы говорим о трехфазном питании, и это делает весь вопрос об одном воздушном проводе спорным.
@SolomonSlow «Нет причин, по которым система переменного тока не могла бы также использовать один воздушный провод и использовать рельсы в качестве возврата». - Фактически, это то, что они делают.
@SolomonSlow - была опробована трехфазная электрификация железных дорог, известная в Италии, и до сих пор существует на 4 линиях: одна в Бразилии, две в Швейцарии и одна во Франции. Они часто имеют два воздушных провода, а третья фаза заземлена и подключена к ходовым рельсам. Необходим двойной пантограф или пикап на крыше поезда.
@SolomonSlow - стоит отметить, что при воздушной электрификации переменного тока, хотя ток собирается пантографом, установленным на крыше, и возвращается через колеса на ходовые рельсы, он не возвращается полностью к фидерной станции по рельсам. Они через частые промежутки времени соединены с обратным проводом вдоль пути, часто на мачтах, поддерживающих оборудование воздушной линии.
@Copiltembel DC лучше, чем AC, если у вас есть изолированные секции - вам не нужно беспокоиться о фазовой синхронизации секций, поэтому для источника питания возникает меньше инженерных проблем.

По крайней мере, в Нидерландах (их также называют «здесь», где я живу) это произошло по историческим причинам.

Троллейбусы датируются 1882 годом, а троллейбус в Нидерландах в Арнеме (до сих пор работает) был запущен в 1949 году. Регулировка скорости для постоянного тока была проще тогда, из-за отсутствия электроники, которую мы знаем сегодня, и доступные последовательно соединенные двигатели постоянного тока были отлично подходит для тяги.

На заре троллейбусов не было простых способов, как сегодня, для выпрямления переменного тока, поэтому было решено использовать постоянный ток на воздушных проводах.

Использование переменного тока на воздушных линиях для этого типа тяги не получило распространения здесь до 1950-х годов, но замена существующего парка и инфраструктуры считалась слишком дорогой, поэтому система постоянного тока осталась.

В странах бывшего СССР это также 600 В постоянного тока. Я не уверен, почему именно, не нашел объяснения или обоснования.
Почему в силовых кабелях троллейбусов используется постоянный ток, а не переменный?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v