Conduccions elèctriques de tracció
Definició
Una propulsió que utilitza energia elèctrica per avançar es coneix com a propulsió de tracció elèctrica. Una de les aplicacions principals d'una propulsió elèctrica és el transport de persones i bens d'un lloc a un altre. Les propulsions de tracció es classifiquen principalment en dos tipus: la propulsió de tracció AC monofàsica i la propulsió de tracció CC.
Serveis de Tracció Elèctrica
Els serveis de tracció elèctrica es poden classificar ampliament de la següent manera:
Trens elèctrics
Trens de Línia Principal
Trens Suburbans
Autobusos, tramvies i trolleys elèctrics
Vehicles alimentats amb bateria i energia solar
A continuació, es presenta una explicació detallada d'aquests serveis de tracció elèctrica.
Trens Elèctrics
Els trens elèctrics, que circulen per rails fixos, es subdividixen més endavant en trens de línia principal i trens suburbans.
Trens de Línia Principal
En aquests trens, la potència es proporciona al motor de dues maneres: o bé des d'una línia aèria en un locomotora elèctrica o bé mitjançant un conjunt generador dièsel en una locomotora dièsel.
En una locomotora elèctrica, el motor de propulsió està instal·lat dins de la pròpia locomotora. S'instala una línia de transmissió aèria al costat o sobre la via fèrria. Un col·lector de corrent, dotat d'una tira conductora, s'instal·la a la locomotora. Aquesta tira conductora llisca a través del conductor d'alimentació, mantenint el contacte elèctric entre la font d'alimentació i la locomotora. El conductor d'alimentació se sol anomenar fil de contacte. Per assegurar una connexió fiable entre el col·lector de corrent i el fil d'alimentació, es fan servir cables catenaris i fils penjants.
En els trens d'alta velocitat, es fa servir un col·lector pantogràfic. Amb forma de pentàgon, aquest disseny únic li dona el seu nom. El col·lector disposa d'una tira conductora que es pren firmament contra el fil de contacte mitjançant molles. Normalment fabricada en acer, aquesta tira conductora desempenya un paper crucial en mantenir una pressió constant entre si mateixa i el fil de contacte. Aquesta pressió constant és essencial per evitar oscil·lacions verticals, assegurant una connexió elèctrica estable i fiable mentre el tren d'alta velocitat viatja a velocitats ràpides. Aquesta connexió estable és vital per a una alimentació ininterrupta de la corrent elèctrica als sistemes elèctrics del tren, permetent una operació suau i eficient.
S'instala una alimentació d'energia monofàsica a tota la via fèrria. La corrent elèctrica entra a la locomotora a través del col·lector. Després, passa pel bobinat primari d'un transformador de reducció de tensió i torna a la massa de la font d'alimentació a través de les rodes de la locomotora. El bobinat secundari del transformador d'energia alimenta el modulador de potència, que a la vegada impulsa el motor de tracció. Addicionalment, la sortida secundària del transformador alimenta dispositius auxiliars com ventiladors de refrigeració i sistemes de climatització.
Trens Suburbans
Els trens suburbans, també coneguts com a trens locals, estan dissenyats per a viatges de curta distància. Aquests trens fan parades freqüents a intervals relativament propers. Per millorar el rendiment d'acceleració i deceleració, els trens suburbans incorporen vagoons motoritzats. Aquesta configuració augmenta la proporció del pes del tren suportat pels rodes motrices respecte al pes total del tren.
Cada vagon motoritzat està equipat amb un sistema de propulsió elèctrica i un col·lector pantogràfic. Normalment, es fan servir vagoons motoritzats i no motoritzats en una raó de 1:2. Per a trens suburbans d'alta potència, aquesta raó pot augmentar-se a 1:1. Els trens compostos per vagoons motoritzats i remolcs es coneixen com a trens Múltiples Unitats Elèctriques (EMU). El mecanisme d'alimentació d'energia per als trens suburbans és similar al dels trens de línia principal, amb una excepció notable: els trens suburbans subterrànics.
Els trens subterrànics utilitzen un sistema d'alimentació d'energia en corrent contínua (CC). Aquesta elecció es deu principalment al fet que els sistemes d'alimentació en CC requereixen menys espai entre el conductor d'alimentació i el cos del tren. A més, els sistemes CC simplifiquen el disseny del modulador de potència, reduint tant la seva complexitat com el seu cost. En contrast amb els trens de superfície, els trens subterrànics no fan servir línies aèries de transmissió. En comptes, l'energia es proporciona a través de les rodes de la via o de conductors instal·lats a un costat del túnel.
Autobusos, Tramvies i Trolleys Elèctrics
Aquests tipus de vehicles elèctrics normalment presenten un disseny d'única unitat motoritzada. Obtenen la potència de línies aèries de baixa tensió CC instal·lades al costat de la carretera. Donat que els requeriments de corrent són relativament baixos, el mecanisme de recol·lecció de corrent sovint consta d'una varilla amb una roda sulcada a l'extrem, o de dues varilles connectades per un arc de contacte. El sistema de col·lector està dissenyat per ser molt flexible i inclou un conductor addicional per facilitar el retorn de la corrent elèctrica, assegurant una alimentació d'energia estable i contínua per a l'operació del vehicle.
Els tramvies són un tipus de vehicle alimentat amb electricitat que circula per rails i normalment consisteix en un únic vagon motoritzat. En alguns casos, es connecten dos o més vagoons remolc sense motor per augmentar la capacitat de passatgers. El seu sistema de recol·lecció de corrent és comparable al dels autobusos elèctrics. Notablement, el camí de retorn de la corrent elèctrica es pot establir a través d'una de les rodes. Com que els tramvies operen en rails fixos, les seves rutes a la carretera estan predeterminades, proporcionant un servei de transport fiable i consistent.
Els trolleys elèctrics es fan servir principalment per al transport de materials dins de mines i fàbriques. Aquests vehicles generalment circulen per rails i comparteixen moltes similituds amb els tramvies, amb la diferència principal en la seva forma física.
Característiques Importants de les Propulsions de Tracció Elèctrica
Les característiques clau de les propulsions de tracció elèctrica s'explicaran a continuació
Requisit de Gran Torque: Les propulsions de tracció necessiten generar un torque substancial durant les fases d'inici i acceleració per impulsar la massa pesada del vehicle. Aquest alt requisit de torque assegura que el tren o altres vehicles de tracció puguin superar l'inèrcia i assolir la velocitat desitjada de manera eficient.
Alimentació Monofàsica en Tracció AC: Per raons econòmiques, s'utilitza sovint una alimentació monofàsica en sistemes de tracció en corrent alternada (CA). Aquesta elecció ajuda a reduir els costos relacionats amb la infraestructura, la generació d'energia i la distribució, fent que l'operació global sigui més viable econòmicament.
Fluctuacions de Tensió: La font d'energia en sistemes de tracció elèctrica experimenta fluctuacions significatives de tensió. Aquestes fluctuacions són especialment pronunciades quan la locomotora es mou d'una secció d'alimentació a una altra, sovint resultant en discontinuïtats momentànies. Aquestes variacions de tensió poden posar reptes a l'operació estable de l'equipament de tracció i requereixen estratègies de disseny i control cuidadoses per mitigar els seus efectes.
Interferències Armòniques: Tant els sistemes de tracció CA com CC injecten harmòniques a la font d'energia. Aquestes harmòniques poden interferir amb les línies telefòniques i els sistemes de senyalització properes, causant possibles interrupcions a la infraestructura de comunicació i senyalització. Són essencials mesures adequades de filtratge i mitigació per minimitzar aquesta interferència i assegurar el funcionament adequat d'aquests serveis crítics.
Sistemes de Frenat: Les propulsions de tracció depenen principalment del frenat dinàmic, que converteix l'energia cinètica del vehicle en moviment en energia elèctrica, ja sigui dissipant-la com a calor o retroalimentant-la a la xarxa elèctrica. A més, es fan servir frens mecànics quan el vehicle està estacionari per proporcionar capacitats de parada i retenció fiables, assegurant la seguretat en totes les condicions d'operació.
Cicle de Servei de les Propulsions de Tracció Elèctrica
El cicle de servei d'una propulsió de tracció elèctrica es pot entendre eficacement a través de l'anàlisi de les corbes de velocitat - temps i els diagrames de potència - torque - temps. Considerem una propulsió de tracció operant entre dues estacions consecutives en una via plana. Al principi, el tren s'accelera utilitzant el màxim torque assolible. Durant aquesta fase d'acceleració, el consum d'energia de la propulsió augmenta linealment amb la velocitat creixent, reflectint l'energia necessària per superar l'inèrcia i impulsar el vehicle cap endavant.
Al temps t1, la propulsió de tracció assolix la velocitat base, i simultàniament, s'assoleix la màxima potència permesa. Seguidament, l'acceleració continua sota una condició de potència constant. Com la velocitat continua augmentant en aquesta fase, tant el torque com l'acceleració disminueixen gradualment.
Al temps t2, el torque de la propulsió esdevé igual al torque de càrrega, en aquest punt s'assoleix una velocitat constant. El procés d'acceleració de 0 a t2 es pot dividir en dues etapes distintes. De 0 a t1, l'acceleració es caracteritza per un torque constant, on la propulsió aplica una força rotativa consistent per construir ràpidament la velocitat. Llavors, de t1 a t2, l'acceleració ocorre sota un règim de potència constant. Aquí, a mesura que la velocitat augmenta, la propulsió sacrifica el torque per mantenir la sortida de potència fixa, resultant en una taxa d'acceleració que disminueix fins que s'estableix l'equilibri amb el torque de càrrega a t2.
Entre el temps t2 i t3, el tren manté una velocitat constant mentre opera amb una potència de propulsió estable. Aquest període es coneix com la fase de funcionament lliure. Durante aquesta etapa, el tren glissa suavement per la via, amb la força motriz equilibrant precisament les forces resistentes, assegurant un moviment consistent i eficient.
Quan arriba el moment adequat al temps t4, es gira el sistema de frenat. Aquesta acció inicia un procés de desacceleració controlat, reduint gradualment la velocitat del tren fins que finalment s'atura a l'estació següent, preparat per atendre el següent lot de passatgers o transportar la seva càrrega al destí previst.
