Електрически тракционни приводи

Определение

Привод, който използва електрическа енергия за напредване, се нарича електрически тракционен привод. Едно от основните приложения на електрическия привод е транспортирането на хора и стоки от едно място до друго. Тракционните приводи се класифицират предимно в два типа: единофазен AC тракционен привод и DC тракционен привод.

Електрически тракционни услуги

Електрическите тракционни услуги могат да бъдат широко класифицирани както следва:

• Електрически влакове

• Главна линия

• Предградски влакове

• Електрически автобуси, трамвай и тролейбуси

• Батерийни и слънчево-енергиенозависими превозни средства

По-долу е подробно обяснение на тези електрически тракционни услуги.

Електрически влакове

Електрическите влакове, които се движат по фиксирани релси, са подразделени на главна линия и предградски влакове.

Главна линия
В тези влакове, енергията се доставя до мотора по един от два начина: или от въздушна контактна мрежа в електрически локомотив, или чрез дизелен генератор в дизелен локомотив.

В електрическия локомотив, привеждащият мотор е разположен в самия локомотив. Въздушна контактна мрежа е инсталирана до или над железната пътека. Сборник на тока, оснащен с проводяща лента, е монтиран на локомотива. Тази проводяща лента се плъзга по контактния провод, поддържайки електрическа връзка между източника на енергия и локомотива. Контактният провод често се нарича контактна жица. За да се гарантира надеждна връзка между сборника на тока и контактния провод, се използват катенарни кабели и висящи дръжки.

Във високоскоростни влакове, се използва пантографен сборник. С формата на петоъгълник, това уникално проектиране му дава името. Сборникът разполага с проводяща лента, която е затегната силно към контактния провод чрез пружини. Обикновено произвеждана от стомана, тази проводяща лента играе ключова роля в поддържането на постоянна сила на натиск между себе си и контактния провод. Тази постоянна сила е необходима за предотвратяване на вертикални колебания, гарантирайки стабилна и надеждна електрическа връзка, докато високоскоростният влак се движи с бързи скорости. Тази стабилна връзка е жизненоважна за непрекъснато снабдяване с енергия на електрическите системи на влака, позволявайки гладко и ефективно функциониране.

Единофазен източник на енергия е инсталиран във цялото протежение на железната пътека. Електрическият ток влиза в локомотива чрез сборника. После той минава през первичната катушка на понижаващ трансформатор и се връща към земята на източника на енергия чрез колела на локомотива. Вторичната катушка на мощностния трансформатор доставя енергия на модулатора на мощността, който от своя страна привежда в действие тракционния мотор. Освен това вторичният изход на трансформатора доставя енергия на допълнителни устройства, като охладители и климатизационни системи.

Предградски влакове
Предградските влакове, също известни като местни влакове, са предназначени за краткосрочно пътуване. Тези влакове правят често спирки на относително близки интервали. За подобряване на производителността при ускоряване и забавяне, предградските влакове включват моторизирани вагони. Тази конфигурация увеличава пропорцията на масата на влака, която е носена от привеждащите колела, спрямо общата маса на влака.

Всякъв моторизиран вагон е оборудван с електрическа система за привеждане в действие и пантографен сборник. Обикновено, моторизирани и немоторизирани вагони се използват в съотношение 1:2. За високомощни предградски влакове, това съотношение може да бъде увеличено до 1:1. Влаковете, състоящи се от моторизирани и немоторизирани вагони, се наричат Електрически многозвенни влакове (EMU). Механизъмът за доставяне на енергия за предградските влакове е подобен на този на главната линия, с едно значително изключение: подземните предградски влакове.

Подземните влакове използват система за доставяне на енергия с постоянн ток (DC). Този избор е основно поради факта, че системите с постоянен ток изискват по-малко пространство между източника на енергия и корпуса на влака. Освен това, системите с постоянен ток опростяват конструкцията на модулатора на мощността, намалявайки както неговата сложност, така и цената. В противовес на повърхностните влакове, подземните влакове не използват въздушни контактни мрежи. Вместо това, енергията се доставя или чрез беговите релси, или от проводници, инсталирани от едната страна на тунела.

Електрически автобуси, трамваи и тролейбуси
Тези видове електрически превозни средства обикновено разполагат с дизайн на един моторизиран вагон. Те черпят енергия от нисковолтови DC въздушни контактни мрежи, инсталирани до пътя. Учитывайки относително ниските потребности от ток, механизъмът за събиране на тока често се състои от стълб със захлупена колело на края, или две стълба, свързани с контактна дъга. Колекторната система е проектирана да бъде много гъвкава и включва допълнителен проводник, за да осигури връщането на електрическия ток, гарантирайки стабилно и непрекъснато снабдяване с енергия за операцията на превозното средство.

Трамваите са вид електрически превозни средства, които се движат по релси и обикновено се състоят от един моторизиран вагон. В някои случаи, две или повече немоторизирани вагони-прицепи се прикачат, за да се увеличи капацитета за пътници. Их системата за събиране на тока е сравнима с тази на електрическите автобуси. Забележително е, че обратният път за електрическия ток може да бъде установен чрез една от релсите. Тъй като трамваите се движат по фиксирани релси, техните маршрути по пътя са предварително определени, предоставяйки надежден и последователен транспортен сервис.

Електрическите тролейбуси се използват главно за транспортиране на материали в мини и заводи. Тези превозни средства обикновено се движат по релси и споделят много сходства с трамваите, с главната разлика в техния физически вид.

Важни характеристики на електрическите тракционни приводи

Ключовите характеристики на електрическите тракционни приводи са обяснени по-долу

• Високи изисквания за момента: Тракционните приводи трябва да генерират значителен момент по време на стартиране и ускоряване, за да превозят тежката маса на превозното средство. Това високо изискване за момент осигурява, че влакът или друго тракционно превозно средство може ефективно да преодолее инерцията и да постигне желаната скорост.

• Единофазен AC източник в AC тракция: По икономически причини, единофазен източник на енергия се използва обикновено в системи с алтернативен ток (AC) тракция. Този избор помага за намаляване на разходите, свързани с инфраструктурата, генерирането и разпределението на енергия, правейки общата операция по-икономично изгодна.

• Флуктуации на напрежението: Източникът на енергия в електрическите тракционни системи изпитва значителни флуктуации на напрежението. Тези флуктуации са особено очевидни, когато локомотивът се движи от една секция на доставка към друга, често водещи до временни прекъсвания. Такива вариации на напрежението могат да представляват предизвикателства за стабилната работа на тракционното оборудване и изискват внимателно проектиране и стратегии за контрол, за да се намалят техните ефекти.

• Хармонични възпиране: Както AC, така и DC тракционни системи внасят хармоники в източника на енергия. Тези хармоники могат да възпрепятстват работата на близки телефонни линии и сигнализационни системи, потенциално причинявайки прекъсвания в комуникационната и сигнализационната инфраструктура. Адекватни филтриращи и намаляващи мерки са необходими, за да се минимизира това възпиране и да се гарантира правилната работа на тези критични услуги.

• Системи за спиране: Тракционните приводи в основни линии полагат динамично спиране, което преобразува кинетичната енергия на движещото се превозно средство в електрическа енергия, или я разсейва като топлина, или я връща обратно в мрежата. Освен това, механични спирачки се използват, когато превозното средство е неподвижно, за да осигурят надеждно спиране и задържане, гарантирайки безопасност във всички условия на работа.

Цикъл на работа на електрическите тракционни приводи

Цикълът на работа на електрическия тракционен привод може да бъде ефективно разбран чрез анализ на кривите на скорост-време и диаграми на мощност-момент-време. Разглеждайки тракционен привод, който работи между две последователни станции на равна пътека. В началото, влакът ускорява, използвайки максимално постижимия момент. По време на тази фаза на ускоряване, потребителската мощност на привода нараства линейно с нарастващата скорост, отразявайки енергията, необходима за преодоляване на инерцията и превоз на превозното средство напред.

На време t1, тракционният привод достига основната си скорост, и едновременно, се достига максимално позволената мощност. След това, допълнителното ускоряване продължава при условие на постоянна мощност. Докато скоростта продължава да нараства по време на тази фаза, както моментът, така и ускорението постепенно намаляват.

До време t2, моментът на привода става равен на моментът на товара, при което се постига постоянна скорост. Процесът на ускоряване от 0 до t2 може да бъде разделен на две различни фази. От 0 до t1, ускорението е характеризирано от постоянен момент, където приводът прилага последователна ротационна сила, за да бързо нараства скоростта. След това, от t1 до t2, ускорението продължава при условие на постоянна мощност. Тук, докато скоростта нараства, приводът жертва момент, за да поддържа фиксираната мощност, водейки до намаляващо ускорение, докато се установи равновесие с моментът на товара при t2.

Между времето t2 и t3, влакът поддържа постоянна скорост, работейки при постоянна мощност на привода. Този период се нарича свободно движение. По време на тази фаза, влакът се плъзга гладко по пътеката, с движущата сила точно балансираща съпротивителните сили, осигурявайки последователно и ефективно движение.

Когато подходящият момент настъпи при време t4, системата за спиране се активира. Това действие започва контролиран процес на забавяне, постепенно намалявайки скоростта на влака, докато той в крайна сметка спре на следващата станция, готов да обслужи следващата партида пътници или да превози товара си до предназначеното място.