Như tiêu đề, trong ngành công nghiệp đường sắt, tại sao phần lớn đường thứ ba hoặc đường trên cao của đường sắt ở điện áp DC và không phải là điện áp xoay chiều? Dự đoán ban đầu của tôi sẽ là trong AC vì việc phân phối AC trên khoảng cách xa dễ dàng hơn. Tôi biết có một vài đường dây trên không là 25KV AC, nhưng phần lớn là 600-750 V DC.

EDIT: Tôi đã tìm thấy bài viết này giải thích sự khác biệt một chút, nhưng nó vẫn không giải thích tại sao phần lớn là DC.

Cơ sở hạ tầng đường sắt đắt đỏ. Việc tạo ra các bản nhạc hoàn toàn mới là tương đối hiếm và khi bạn thực hiện, chúng thường tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật của các bản nhạc hiện có (thước đo, v.v.) để cho phép linh hoạt trong việc sử dụng cổ phiếu, v.v.

Do đó, các quyết định về điện khí hóa đã được đưa ra vào thế kỷ 19 (ví dụ 1890 ở London). Vào thời điểm đó, việc kiểm soát tốc độ của động cơ lớn có lẽ dễ dàng hơn đối với DC so với AC nơi tốc độ được liên kết với tần số AC.

Cũng tại thời điểm đó, phân phối DC có lợi thế hơn AC.

Các cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo thường bị cản trở bởi nhu cầu tối đa hóa lợi nhuận đầu tư dài hạn vào cơ sở hạ tầng quy mô lớn.

Một trường hợp thú vị là Thameslink của Luân Đôn có các đoàn tàu hoạt động trên 25KV AC trên phần phía bắc của hành trình và trên đường ray 750V DC đường sắt thứ ba cho phần hành trình phía nam ga Farringdon. Các chi phí giới thiệu cơ sở hạ tầng không tương thích có thể là đáng kể.

Đây thực sự là một câu hỏi điện tử năng lượng rất thú vị; không có câu trả lời nào đạt được tất cả các điểm chính:

Phối cảnh bên lái

Bất kể, chúng ta cần DC để lái động cơ

• Trước khi các bóng bán dẫn cho phép biến tần (Thyristor và IGBT) có sẵn, cách hiệu quả duy nhất để đạt được tốc độ biến đổi cao là với DC, vì tốc độ động cơ AC được cố định theo tần số. Tương tự như vậy, các bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân quá nặng để được vận chuyển trên các đoàn tàu, do đó, việc chuyển đổi AC => DC là không khả thi.
• Hiệu quả của động cơ AC cùng với các đặc tính cơ học vượt trội của động cơ cảm ứng / không chổi than làm cho AC ở phía ổ đĩa trở nên hấp dẫn. Tuy nhiên , điều này đòi hỏi phải có Biến tần biến tần phải được cấp nguồn từ DC vì không có cách nào dễ dàng thay đổi tần số hoặc sử dụng điện tử công suất để chuyển đổi AC-AC trực tiếp.

Do đó, câu hỏi là: Bạn đặt bộ chỉnh lưu ở đâu?

1. Truyền tải AC

Chỉnh lưu AC thành DC trên tàu và sử dụng HVAC ở 25 kV để lấy nguồn cho tàu

Ưu điểm:

• Hiệu suất đường truyền cao hơn do dòng điện thấp hơn.

Nhược điểm:

• Bộ chỉnh lưu phải được tối ưu hóa trọng lượng; có lẽ có hệ số công suất thấp hơn và hiệu quả.
• Chỉnh lưu một pha có nghĩa là null điện áp yêu cầu các yếu tố lưu trữ năng lượng và giảm hiệu quả.
• Bộ chỉnh lưu phải được vận chuyển bằng tàu. Chỉnh lưu để sử dụng năng lượng cao là nặng.

2. Truyền tải DC

Chỉnh lưu đường ray và sử dụng DC 600V-3kV để truyền tới tàu hỏa

Ưu điểm:

• Xe lửa nhẹ hơn
• Chỉnh lưu hiệu quả hơn, hệ số công suất tốt hơn
• Chỉnh lưu ba pha

Nhược điểm:

• Dòng đường truyền cao hơn có nghĩa là tổn thất cao hơn

Tôi nhớ lại việc đọc về một thí nghiệm của Nga vào những năm 80 so sánh các giải pháp 1 và 2 ở trên và thấy rằng mặc dù tổn thất trong đường truyền mà hệ thống tổng thể hoạt động hiệu quả hơn với truyền tải DC do yêu cầu điện tử công suất. Tuy nhiên, nhiều tàu khu vực và đường sắt cao tốc sử dụng HVAC.

Có một số cân nhắc khác:

• AC điện áp cao không được sử dụng trên các hệ thống đường sắt thứ ba; yêu cầu dây trên không. Cân nhắc an toàn giới hạn điện áp của đường ray thứ ba xuống ~ 750V, điều này cũng hạn chế công suất hiệu quả, điều hòa không khí, v.v. (Không phải là bạn không thể tự rán mình khá tốt ở điện áp đó.)
• Nó chỉ thực tế để truyền một pha (mặc dù có một vài ví dụ về tàu ba pha). Hệ thống DC có thể sử dụng ba bộ chỉnh lưu pha hiệu quả tăng theo dõi.
• Độ sâu da giới hạn hiệu quả của dây AC đường kính lớn; đây không phải là vấn đề đối với các hệ thống DC có thể sử dụng dây đo dày hơn để truyền dòng điện cao hơn.

Lưu ý rằng năng lượng thường không được truyền đi đường dài dọc theo đường ray (đặc biệt đối với DC trung thế): các đường dây được cung cấp dọc đường, không chỉ từ một đầu.

Toàn bộ phía đông nam của Vương quốc Anh sử dụng hệ thống đường sắt thứ ba - nó không bao giờ được sử dụng ở bất kỳ nơi nào khác ở Anh và tôi tin rằng một lý do chính là rất nhiều khu vực này là đô thị với những cây cầu thấp do đó là hệ thống đường sắt thứ ba. Đường dây trên không DC (5kV) đã được sử dụng dọc theo một đoạn đường cũ từ Manchester đến Sheffield.

Điều khiển DC là một khía cạnh nhưng có một khía cạnh khác và đó là cảm ứng để theo dõi các hệ thống điều khiển và điện thoại. Một đường ray thứ ba AC sẽ đại diện cho một nguồn nhiễu lớn để truyền tín hiệu theo dõi và hệ thống điện thoại theo dõi. Ban đầu việc điều khiển tín hiệu và theo dõi được thực hiện một cách máy móc nên AC sẽ không phải là mối đe dọa nên "lý do" này là một lời giải thích thế kỷ 20 hơn là thế kỷ 19.

Tuy nhiên, các hệ thống điện thoại theo dõi sẽ bị ảnh hưởng bởi AC từ khi khởi động và, vì điện áp thấp hơn nguồn cấp điện AC trên không, dòng điện sẽ cao hơn và cảm ứng lớn hơn. Một đường ray thứ ba gần hơn với các dây điện thoại theo dõi cũng như làm cho mọi thứ tồi tệ hơn.

Ví dụ, khi tuyến đường bờ biển phía đông của Vương quốc Anh được điện khí hóa (trên cao), các kỹ sư đã báo cáo rằng các sự cố điện thoại đã xảy ra trên các đoạn cáp dài khoảng 1500m đến 1700m (1 dặm) hoặc lớn hơn. Đối với đường ray thứ ba nơi dòng điện có thể sẽ cao hơn ít nhất mười lần so với hệ thống 25kV trên cao và khoảng một phần ba khoảng cách từ cáp bạn có thể đoán AC sẽ không hoạt động ngay cả trên khoảng cách ngắn.

HVAC (Điện áp cao AC) có một số nhược điểm, chẳng hạn như khoảng cách. Mặc dù việc truyền tải AC dễ dàng hơn và được sử dụng rộng rãi để truyền điện từ nhà này sang nhà khác, nhưng nó không được sử dụng khi có một đường truyền dài.

HVDC ở đây tốt hơn vì có hiệu suất truyền dọc theo cáp HVDC gần như không đổi. Điểm hòa vốn giữa HVAC và HVDC là khoảng 50km. Nếu bạn nhận được hơn 50km sẽ có lợi hơn khi sử dụng HVDC vì giá cả và hiệu quả.

Dưới đây là biểu đồ giữa HVDC và HVAC so sánh giá cả và khoảng cách.

Vì các chuyến tàu này đang đi một quãng đường dài nên sử dụng HVDC tốt hơn.

Một ví dụ thực tế khác sẽ là các trang trại gió ngoài khơi. Bởi vì ở rất xa ngoài khơi, họ sử dụng HVDC và truyền nhiều năng lượng trên đất liền hơn so với HVAC.

Đây là một bài viết về các trang trại gió ngoài khơi.

Bit đến bữa tiệc muộn, nhưng một lý do để ở lại với DC (hoặc xây dựng mới) là phanh hãm tái sinh. Hầu hết các đoàn tàu nhiều đơn vị điện hiện nay sẽ đảo ngược các động cơ để giảm tốc độ, đưa năng lượng được tạo trở lại vào đường dây cung cấp. Rất dễ dàng với DC vì tất cả những gì bạn cần để điều chỉnh là điện áp. Cơn ác mộng đồng bộ hóa với AC. Nếu dịch vụ đủ bận thì luôn có thứ gì đó khác chạy trong cùng một bộ phận điện.

Nếu chúng ta mở rộng chiều ngang sang khu vực không nói tiếng Anh, chúng ta có thể kết luận điều này - có vẻ như có nhiều lý do:

Ở châu Âu, hầu hết tất cả các Xe lửa đều có đường dây trên không và chúng có phạm vi 3kV, 15kV và 25kV AC - Phụ thuộc một chút khi nào và ai xây dựng nó. (không tính một số chuyến tàu địa phương trên núi thậm chí còn tồn tại 3 pha!). Mặt khác, nếu không phải tất cả các xe điện trong thành phố đều sử dụng DC (khoảng 600V).

Một lý do cho điện áp cao hơn là vận chuyển năng lượng nhiều hơn. Điều này đúng với các chuyến tàu đường sắt, vì chúng sử dụng tới Mega ERIC khi bắt đầu hoặc chạy nước rút. Do đó, 25kV sẽ cần ít Ampe hơn và do đó ít kim loại hơn - một đường dây trên đầu có thể được sử dụng thay vì đường ray thứ ba. Nhưng tại sao sau đó AC. Bởi vì tại thời điểm đó chỉ có AC có thể xử lý điện áp cao hơn do sự tồn tại của các bộ biến đổi. DC đã đưa ra những vấn đề lớn.

Nhìn vào một đường ray thứ ba, khoảng cách đến mặt đất bạn sẽ cần để mang 25kV trong đó. Nhanh chóng có vẻ không thực tế lắm. Do đó, thay vì chỉ sử dụng 500-750V.

Nhưng vẫn còn nhiều xe điện và tàu điện ngầm trong các thành phố (Zürich, Berlin, München, Wien, ..) sử dụng 600V. Vậy tại sao lại thế này? Điều này quay trở lại những ngày đầu tiên, khi chỉ có động cơ DC có sẵn / có thể nghĩ được. (Trên thực tế quy định tốc độ được thực hiện bởi các mảng điện trở có thể chuyển đổi lớn trên mái nhà). Tuy nhiên, bạn cần nhiều hơn 110v trên đường dây như đã có trong lưới để cung cấp năng lượng cho huấn luyện viên lớn hơn. Vì vậy, họ quyết định cho một điện áp lớn hơn được sản xuất cho mục đích đó. Sau đó chỉnh lưu hơi Mercury được sử dụng. Nhưng 600V vẫn có thể xử lý. Nhưng bạn cần các công tắc lớn với khoảng cách rộng hơn để tiêu diệt công tắc tắt hồ quang. Đây cũng là lý do tại sao không sử dụng DC với hơn 1kV một cách dễ dàng.

Nhìn vào nguồn gốc của hệ thống xe lửa ở DE, CH, AT, SE và Na Uy là 15kV 16,7Hz (công cụ thú vị): nó có nguồn gốc từ một tuyến tàu được xây dựng giữa Innsbruck (AT) và Garmisch Patenkirchen (DE). Họ chọn điện vì chỉ có vậy họ mới có thể leo lên những ngọn núi dốc đứng. Tại thời điểm công nghệ có ít sự lựa chọn. Động cơ tốt nhất được lựa chọn với hiệu suất tốt nhất là 16,7 Hz và khoảng 15kV là tốt để truyền công suất cần thiết. Điều đó sau đó đã tồn tại cho đến bây giờ. Trong thực tế tại các quốc gia được đề cập có toàn bộ mạng lưới truyền tải điện. Nó sử dụng 110kV hoặc 65kV (CH) để vận chuyển phạm vi rộng.

Điều đó có thể cho bạn một ấn tượng về lý do tại sao công cụ được chọn trở lại sau đó.