محركات الجذب الكهربائية

التعريف

يُعرف القيادة الكهربائية التي تستخدم الطاقة الكهربائية للدفع للأمام باسم قيادة الجذب الكهربائي. واحدة من التطبيقات الرئيسية للقيادة الكهربائية هي نقل الأشخاص والبضائع من مكان إلى آخر. تصنف قيادات الجذب بشكل أساسي إلى نوعين: قيادة الجذب ذات التيار المتردد أحادي الطور وقيادة الجذب ذات التيار المستمر.

خدمات الجذب الكهربائي

يمكن تصنيف خدمات الجذب الكهربائي بشكل عام كما يلي:

• القطارات الكهربائية

• القطارات الرئيسية

• القطارات الضواحي

• الحافلات والترام والتراكت الكهربائية

• المركبات التي تعمل بالبطاريات والطاقة الشمسية

ما يلي هو شرح مفصل لهذه الخدمات.

القطارات الكهربائية

تتم تقسيم القطارات الكهربائية، التي تعمل على سكة حديد ثابتة، إلى القطارات الرئيسية والقطارات الضواحي.

القطارات الرئيسية
في هذه القطارات، يتم تزويد المحرك بالطاقة إما عبر خط كهرباء علوية في القاطرة الكهربائية أو عبر مجموعة مولد ديزل في القاطرة الديزلية.

في القاطرة الكهربائية، يتم وضع المحرك الدافع داخل القاطرة نفسها. يتم تركيب خط نقل علوي بجانب أو فوق السكة الحديدية. يتم تثبيت جامع التيار، الذي يحتوي على شريط موصل، على القاطرة. هذا الشريط الموصل ينزلق على الموصل المزود بالكهرباء، مما يحافظ على الاتصال الكهربائي بين مصدر الطاقة والقاطرة. يُعرف الموصل المزود بالكهرباء باسم السلك الملامس. لضمان اتصال موثوق بين جامع التيار والسلك المزود بالكهرباء، يتم استخدام أسلاك القوس والأسلاك المتدلية.

في القطارات ذات السرعات العالية، يتم استخدام جامع بانتوغرافي. يأخذ هذا التصميم فريد الشكل اسمه من شكله البنتاغوني. يحتوي الجامع على شريط موصل يتم ضغطه بإحكام ضد السلك الملامس بواسطة ربيع. عادة ما يتم تصنيع هذا الشريط الموصل من الفولاذ ويلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على ضغط ثابت بينه وبين السلك الملامس. هذا الضغط الثابت ضروري لمنع التذبذبات العمودية، مما يضمن اتصالًا كهربائيًا مستقرًا وموثوقًا به أثناء سفر القطارات ذات السرعات العالية بأسرع سرعاتها. هذا الاتصال المستقر حيوي لتوفير التيار الكهربائي المستمر لنظام القطارات الكهربائي، مما يسمح بعملية سلسة وكفاءة.

يتم تركيب نظام تزويد الطاقة أحادي الطور على طول السكة الحديدية بأكملها. يدخل التيار الكهربائي إلى القاطرة عبر الجامع. ثم يمر عبر ملف الثانوي للمحول النازل ويعود إلى الأرض لشبكة الطاقة عبر عجلات القاطرة. يوفر ملف الثانوي للمحول الكهربائي الطاقة لموديل الطاقة، والذي بدوره يحرك محرك الجذب. بالإضافة إلى ذلك، يوفر الخرج الثانوي للمحول الطاقة لأجهزة مساعدة مثل المراوح المبردة وأنظمة التكييف.

القطارات الضواحي
القطارات الضواحي، والتي تُعرف أيضًا بالقطارات المحلية، مصممة للسفر على مسافات قصيرة. تقوم هذه القطارات بتوقفات متكررة عند فترات قريبة نسبيًا. لتحسين أداء التعجيل والتوقف، تحتوي القطارات الضواحي على عربات موتورة. هذا التكوين يزيد من نسبة وزن العربة المحركة بالنسبة للوزن الكلي للقطار.

تحتوي كل عربة موتورة على نظام قيادة كهربائي وجامع بانتوغرافي. عادةً ما يتم استخدام العربات الموتورة وغير الموتورة بنسبة 1:2. بالنسبة للقطارات الضواحي ذات الطاقة العالية، قد تزيد هذه النسبة إلى 1:1. تُعرف القطارات المكونة من العربات الموتورة والعربات المسحبة بـ القطارات المتعددة الوحدات الكهربائية (EMU). يكون نظام تزويد الطاقة للقطارات الضواحي مشابهًا لنظام القطارات الرئيسية، مع استثناء واحد: القطارات الضواحي تحت الأرض.

تستخدم القطارات تحت الأرض نظام تزويد الطاقة ذو التيار المستمر (DC). وهذا الاختيار يعود بشكل أساسي إلى حقيقة أن أنظمة التيار المستمر تتطلب مساحة أقل بين الموصل والجسم القطار. بالإضافة إلى ذلك، تبسط أنظمة التيار المستمر تصميم موديل الطاقة، مما يقلل من تعقيده وتكلفة. على عكس القطارات فوق الأرض، لا تستخدم القطارات تحت الأرض خطوط نقل علوية. بدلاً من ذلك، يتم تزويد الطاقة إما عبر قضبان السكة أو من خلال موصلات مثبتة على جانب واحد من الأنفاق.

الحافلات والترام والتراكت الكهربائية
عادةً ما تتميز هذه الأنواع من المركبات الكهربائية بتصميم عربة موتورة واحدة. تأخذ الطاقة من خطوط كهربائية علوية ذات تيار مستمر منخفض الجهد مثبتة بجانب الطريق. نظرًا لمتطلبات التيار المنخفض نسبيًا، غالبًا ما يتكون نظام جمع التيار من قضيب مزود بعجلة مسننة في نهايته، أو قضيبين متصلين بقوس اتصال. يتم تصميم نظام الجامع ليكون مرنا للغاية، ويحتوي على موصل إضافي لتسهيل عودة التيار الكهربائي، مما يضمن تزويدًا مستقرًا ومستمرًا بالطاقة لتشغيل المركبة.

الترام هي نوع من المركبات الكهربائية التي تعمل على القضبان وتتألف عادة من عربة موتورة واحدة. في بعض الحالات، يتم ربط عربتين أو أكثر غير موتورتين لزيادة قدرة الاستيعاب. نظام جمع التيار الخاص بها مماثل لنظام الحافلات الكهربائية. من الجدير بالذكر أن مسار العودة للتيار الكهربائي يمكن أن يتم عبر أحد القضبان. بما أن الترام تعمل على قضبان ثابتة، فإن مساراتها على الطريق محددة مسبقًا، مما يوفر خدمة نقل موثوقة ومستقرة.

التراكت الكهربائية تستخدم أساساً لنقل المواد داخل المناجم والمصانع. هذه المركبات تعمل بشكل أساسي على القضبان وتشارك العديد من التشابهات مع الترام، مع الاختلاف الرئيسي في شكلها الجسدي.

الخصائص الهامة لقيادة الجذب الكهربائي

يتم توضيح الخصائص الرئيسية لقيادة الجذب الكهربائي أدناه

• متطلبات عزم الدوران العالي: تحتاج قيادات الجذب إلى إنتاج عزم دوران كبير أثناء مراحل التشغيل والتسرع لدفع الكتلة الثقيلة للمركبة. هذا الطلب العالي على عزم الدوران يضمن أن يتمكن القطار أو أي مركبة أخرى من تجاوز القصور الذاتي والوصول إلى السرعة المرجوة بكفاءة.

• تزويد الطاقة أحادي الطور في الجذب الكهربائي: لاعتبارات اقتصادية، يتم استخدام نظام تزويد الطاقة أحادي الطور بشكل شائع في أنظمة الجذب الكهربائي ذات التيار المتردد. هذا الخيار يساعد في تقليل التكاليف المتعلقة بالبنية التحتية وإنتاج وتوزيع الطاقة، مما يجعل العملية الإجمالية أكثر ملاءمة ماليًا.

• التقلبات في الجهد: تواجه أنظمة الجذب الكهربائي تقلبات كبيرة في الجهد. هذه التقلبات تكون خاصة عندما ينتقل القاطرة من قسم تزويد الطاقة إلى آخر، مما يؤدي غالبًا إلى انقطاعات مؤقتة. يمكن أن تشكل هذه التغيرات في الجهد تحديات لتشغيل المعدات بثبات وتتطلب تصميمًا وتقنيات تحكم دقيقة لتخفيف آثارها.

• التشويش التوافقي: كلاً من أنظمة الجذب الكهربائي ذات التيار المتردد والمستمر تحقن التوافقيات في مصدر الطاقة. يمكن لهذه التوافقيات أن تسبب تشويشًا على خطوط الهاتف وأجهزة الإشارات المجاورة، مما قد يؤدي إلى اضطرابات في البنية التحتية للاتصال والإشارات. من الضروري اتخاذ تدابير تصفية وتخفيض كافية لتقليل هذا التشويش وضمان عمل هذه الخدمات الحرجة بشكل صحيح.

• أنظمة الفرامل: تعتمد قيادات الجذب بشكل أساسي على الفرامل الديناميكية، التي تحول الطاقة الحركية للمركبة المتحركة إلى طاقة كهربائية، إما عن طريق تبددها كحرارة أو إعادة تغذيتها إلى شبكة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الفرامل الميكانيكية عندما تكون المركبة ثابتة لتوفير توقف واحتفاظ موثوق، مما يضمن السلامة في جميع ظروف التشغيل.

دورة العمل لقيادة الجذب الكهربائي

يمكن فهم دورة العمل لقيادة الجذب الكهربائي بشكل فعال من خلال تحليل منحنيات السرعة-الزمن والقوى-عزم الدوران-الزمن. فلنفترض أن قيادة الجذب تعمل بين محطتين متتاليتين على سكة مستوية. في البداية، يقوم القطار بالتسرع باستخدام عزم الدوران الأقصى القابل للتحقيق. خلال هذه المرحلة من التسرع، يزداد استهلاك الطاقة للقيادة بشكل خطي مع زيادة السرعة، مما يعكس الطاقة المطلوبة للتغلب على القصور الذاتي ودفع المركبة للأمام.

في الوقت t1، يصل قيادة الجذب إلى سرعته الأساسية، وفي نفس الوقت، يتم تحقيق القوة القصوى المسموح بها. بعد ذلك، يستمر التسرع تحت حالة قوة ثابتة. بينما تستمر السرعة في الزيادة خلال هذه المرحلة، ينخفض كل من عزم الدوران والتسرع تدريجيًا.

بحلول الوقت t2، يصبح عزم الدوران للقيادة مساويًا لعزم الدوران للحمل، حيث يتم تحقيق سرعة ثابتة. يمكن تقسيم عملية التسرع من 0 إلى t2 إلى مرحلتين متميزتين. من 0 إلى t1، يتميز التسرع بعزم دوار ثابت، حيث تطبق القيادة قوة دورانية ثابتة لبناء السرعة بسرعة. ثم، من t1 إلى t2، يحدث التسرع تحت نظام قوة ثابتة. هنا، مع زيادة السرعة، تتنازل القيادة عن عزم الدوران للحفاظ على القوة المخرجية الثابتة، مما يؤدي إلى معدل تسرع متناقص حتى يتم تأسيس التوازن مع عزم الدوران للحمل عند t2.

بين الوقت t2 و t3، يحافظ القطار على سرعة ثابتة أثناء العمل بقوة قيادة ثابتة. يُطلق على هذه الفترة اسم مرحلة التشغيل الحر. خلال هذه المرحلة، يتحرك القطار بسلاسة على السكة، مع توازن القوة الدافعة والقوى المقاومة بدقة، مما يضمن حركة ثابتة وكفوءة.

عند الوصول إلى الوقت المناسب t4، يتم تشغيل نظام الفرامل. يبدأ هذا الإجراء عملية تباطؤ مسيطر عليها، مما يؤدي إلى تقليل سرعة القطار تدريجيًا حتى يتوقف تمامًا عند المحطة التالية، جاهزًا لخدمة الدفعة التالية من الركاب أو نقل البضائع إلى وجهتها المقصودة.