Лекция №66. Преобразование энергии при электровозной тяге.

Если на паровозе весь процесс преобразования энергии топлива в механическую работу происходит на самом локомотиве, то при электрической тяге получение энергии из топлива происходит вне локомотива. Рассмотрим последовательность преобразования энергии при работе электровоза от тепловой электрической станции (фиг. 1). При сжигании угля, обладающего химической энергией, последняя превращается в тепловую. Тепловая энергия нагревает воду в котле и превращает её в пар. Из котла пар поступает в паровую турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую энергию вращения колёс турбины. Паровая турбина вращает генератор электрической энергии, который вырабатывает переменный электрический ток. В генераторе механическая энергия превращается в электрическую. От генератора электрическая энергия, преобразованная в трансформаторах и на тяговой подстанции, в виде постоянного тока через контактную сеть и рельсы поступает в тяговые двигатели электровоза. Вращая тяговые двигатели электровоза, электрическая энергия преобразуется в механическую. При работе машин и преобразовании энергии из одного вида в другой часть энергии тратится бесполезно. Отношение полученной от машины или установки энергии к подведённой энергии носит название отдачи или коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия может быть также выражен как отношение мощности, получаемой от машины, к мощности, ей сообщаемой. Большая часть полученной при сжигании топлива энергии тратится непроизводительно и только часть превращается в полезную работу. Для рассмотренного выше примера преобразования энергии это происходит потому, что при сжигании угля не вся заключённая в нём энергия превращается в тепловую, так как некоторые частицы угля проваливаются в зольник, а также вылетают в несгоревшем виде; часть тепла не передаётся котлу, а уносится вместе с отходящими из топки газами; вода в котле получает не всю энергию, подведённую к котлу, так как часть её теряется через наружную поверхность, нагревая воздух; турбина неполностью использует тепловую энергию, подведённую к ней в паре, так как отработавший пар уносит с собой большое количество тепла и часть тепла турбина теряет через наружные стенки; полученная в турбине механическая энергия неполностью доходит до генератора, так как часть её теряется в подшипниках и на непроизводительное трение вращающихся частей о пар; генератор электрической энергии теряет часть механической и электриче-ской энергии на трение и нагревание своих частей, а поэтому количество отдаваемой им электрической энергии меньше количества подводимой к нему механической энергии; в трансформаторах, линии передачи, контактной сети и тяговой подстанции часть электрической энергии теряется в виде тепла; в тяговых двигателях электровоза не вся электрическая энергия, получаемая ими через контактную сеть, превращается в полезную механическую работу, так как часть энергии тратится на нагревание частей двигателя и трение в подшипниках, щётках и о воздух. Отношение количества энергии, получаемой от данной установки в виде полезной работы, к количеству энергии, заключённой в затраченном топливе, называется экономическим коэффициентом полезного действия. В рассмотренном примере с электровозом (фиг. 1 и 2) экономический коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен 90ппгг = 0,15, или 15%. Экономический к. п. д. равен также произведению к. п. д. отдельных машин и установок, входящих в общую систему, т. е. равен 0,75 х 0,33 х 0,93 х 0,97 х 0,90 х0,94 х0,90 х 0,88 = 0,15, где 0,75 — к. п. д. котла; 0,33 — к. п. д. турбины; 0,93 — к. п. д. генератора; 0,97 — к. п. д. повысительного трансформатора; 0,90 — к. п. д. линии электропередачи; 0,94 — к. п. д. тяговой подстанции; 0,90 — к. п. д. контактной сети; 0,88 — к. п. д. электровоза. Таким образом, несмотря на то, что к. п. д. самого электровоза равен 0,88, экономический к. п. д. его при работе от тепловых станций Судет 0,15.