Elektrické trakční pohony

Definice

Pohon, který využívá elektrickou energii k pohybu dopředu, se nazývá elektrický trakční pohon. Jednou z hlavních aplikací elektrického pohonu je přeprava lidí a zboží z jednoho místa na jiné. Trakční pohony se obecně dělí do dvou kategorií: jednofázový střídavý trakční pohon a stejnosměrný trakční pohon.

Elektrické trakční služby

Elektrické trakční služby lze zhruba rozdělit následujícím způsobem:

• Elektrické vlaky

• Dálkové vlaky

• Příměstské vlaky

• Elektrické autobusy, tramvaje a trolejbusy

• Vozidla poháněná bateriemi a solární energií

Níže následuje podrobnější vysvětlení těchto elektrických trakčních služeb.

Elektrické vlaky

Elektrické vlaky, které jezdí po pevných kolejích, jsou dále rozděleny na dálkové a příměstské vlaky.

Dálkové vlaky
V těchto vlacích je elektromotor napájen jedním ze dvou způsobů: buď z nadjezdného vedení v elektrickém lokomotivě nebo prostřednictvím dieselgenerátoru v dieslové lokomotivě.

V elektrické lokomotivě je pohonný motor umístěn uvnitř lokomotivy. Nadjezdné vedení je instalováno vedle nebo nad kolejovou dráhou. Na lokomotivě je montován sběrač proudů s vodičovou páskou, která se posouvá po vodiči, což udržuje elektrický kontakt mezi zdrojem energie a lokomotivou. Vodič se běžně označuje jako kontaktní drát. Pro zajištění spolehlivého spojení mezi sběračem a vodičem se používají lanové vedení a visuté dráty.

U vysokorychlostních vlaků se používá pantograf. Tento unikátní design, tvaru pětiúhelníku, dává sběrači jeho název. Sběrač má vodičovou pásku, která je pevně přitlačena proti kontaktnímu drátu pomocí pružin. Tato vodičová pásku, obvykle vyrobená z oceli, hraje klíčovou roli v udržování konstantního tlaku mezi sebou a kontaktním drátem. Tento konstantní tlak je nezbytný pro prevenci vertikálních oscilací a zajišťuje stabilní a spolehlivé elektrické spojení, když vysokorychlostní vlak jezdí rychlými rychlostmi. Toto stabilní spojení je klíčové pro nepřetržité dodávání energie elektrickým systémům vlaku, umožňujíc tak hladkou a efektivní operaci.

Jednofázové zdroje elektrické energie jsou instalovány podél celé kolejové trati. Elektrický proud vstupuje do lokomotivy přes sběrač. Poté projde primárním cívkem snížení napětí a vrátí se zpět do země zdroje energie přes kola lokomotivy. Sekundární cívka transformátoru dodává energii modulátoru, který pohání trakční motor. Kromě toho sekundární výstup transformátoru napájí pomocné zařízení, jako jsou chladicí ventilátory a klimatizační systémy.

Příměstské vlaky
Příměstské vlaky, také často nazývané místní vlaky, jsou navrženy pro krátké vzdálenosti. Tyto vlaky často zastavují v relativně blízkých intervalech. Pro zlepšení výkonu při zrychlování a zpomalování příměstské vlaky obsahují motorizované vozy. Tato konfigurace zvyšuje poměr hmotnosti, kterou nesou pohonné kola, vzhledem k celkové hmotnosti vlaku.

Každý motorizovaný vůz je vybaven elektrickým pohonem a pantografem. Typicky se motorizované a nemotorizované vozy používají v poměru 1:2. Pro vysokovýkonné příměstské vlaky může tento poměr být zvýšen na 1:1. Vlaky složené z motorizovaných a tažných vozů se nazývají elektrické vícečlenné jednotky (EMU). Mechanismus dodávání energie pro příměstské vlaky je podobný tomu, jakým se používá pro dálkové vlaky, s jednou výjimkou: podzemní příměstské vlaky.

Podzemní vlaky používají stejnosměrný zdroj energie. Tento výběr je hlavně způsoben tím, že stejnosměrné zdroje energie vyžadují menší vzdálenost mezi vodičem a tělem vlaku. Kromě toho stejnosměrné systémy zjednodušují návrh modulátoru, což snižuje jeho komplexnost a náklady. Na rozdíl od nadzemních vlaků podzemní vlaky nepoužívají nadjezdná vedení. Místo toho se energie dodává buď přes běžné koleje nebo z vodičů instalovaných na jedné straně tunelu.

Elektrické autobusy, tramvaje a trolejbusy
Tyto typy elektrických vozidel obvykle mají návrh s jedním motorem pohánějícím vůz. Energie se získává z nízkonapěťových stejnosměrných nadjezdných vedení instalovaných podél silnice. Vzhledem k relativně nízkým požadavkům na proud sběrač proudů často tvoří tyč s drážkovaným kolečkem na konci nebo dvě tyče spojené kontaktovým obloukem. Sběrací systém je navržen velmi flexibilně a zahrnuje dodatečný vodič pro návrat elektrického proudu, což zajišťuje stabilní a nepřetržitý zdroj energie pro provoz vozidla.

Tramvaje jsou typ elektricky poháněných vozidel, které jezdí po kolejích a obvykle se skládají z jednoho motorizovaného vozu. V některých případech se připojují jeden nebo více nečinných tažných vozů pro zvýšení kapacity pro cestující. Jejich systém sběru proudu je srovnatelný s systémem elektrických autobusů. Poznámkou na okraj je, že návratová cesta elektrického proudu může probíhat přes jednu z kolejí. Protože tramvaje jezdí po pevných kolejích, jejich trasy podél silnice jsou předem stanovené, což poskytuje spolehlivou a konzistentní dopravní službu.

Elektrické trolejbusy se primárně používají k přepravě materiálů v dolech a továrnách. Tyto vozidla obvykle jezdí po kolejích a sdílejí mnoho podobností s tramvajemi, s hlavním rozdílem v jejich fyzickém tvaru.

Důležité vlastnosti elektrických trakčních pohonů

Klíčové charakteristiky elektrických trakčních pohonů jsou níže popsány

• Vysoké požadavky na točivý moment: Trakční pohony musí generovat významný točivý moment během fáze startu a zrychlování, aby bylo možné pohnout těžkou hmotou vozidla. Tento vysoký požadavek na točivý moment zajišťuje, že vlak nebo jiné trakční vozidlo může překonat inerci a dosáhnout požadované rychlosti efektivně.

• Jednofázové AC dodávání v AC trakci: Z ekonomických důvodů se v systémech střídavého proudu (AC) často používá jednofázový zdroj energie. Tento výběr pomáhá snížit náklady související s infrastrukturou, výrobou a distribucí energie, což celkovou operaci činí finančně viabilnější.

• Fluktuace napětí: Dodávání energie v elektrických trakčních systémech zažívá významné fluktuace napětí. Tyto fluktuace jsou zejména výrazné, když lokomotiva přechází z jednoho dodávacího úseku do druhého, což často vede k okamžitým přerušením. Takové fluktuace napětí mohou představovat výzvu pro stabilní fungování trakčního zařízení a vyžadují opatrný návrh a strategie řízení pro jejich minimalizaci.

• Harmonické rušení: Oba systémy, AC i DC, způsobují harmonické rušení v zdroji energie. Tyto harmonické rušení mohou interferovat s blízkými telefonními linkami a signálními systémy, což může vést k poruchám komunikační a signální infrastruktury. Aby se minimalizovalo toto rušení a zajistilo správné fungování těchto klíčových služeb, jsou nezbytné adekvátní filtrační a mitigační opatření.

• Brzdové systémy: Trakční pohony se převážně spoléhají na dynamické brzdění, které přeměňuje kinetickou energii pohybujícího se vozidla na elektrickou energii, která se buď disipuje jako teplo, nebo se vrací zpět do elektrické sítě. Kromě toho se používají mechanické brzdy, když je vozidlo stacionární, aby zajistily spolehlivé zastavení a udržení, což zajišťuje bezpečnost ve všech provozních podmínkách.

Cyklus provozu elektrických trakčních pohonů

Cyklus provozu elektrického trakčního pohonu lze efektivně pochopit prostřednictvím analýzy křivek rychlost-čas a diagramů výkon-točivý moment-čas. Uvažujme trakční pohon pracující mezi dvěma po sobě jdoucími stanicemi na rovinaté trati. Na začátku se vlak zrychluje pomocí maximálního dosažitelného točivého momentu. Během této fáze zrychlování spotřeba energie pohonu lineárně roste s rostoucí rychlostí, což odráží energetické nároky na překonání inercie a pohyb vozidla dopředu.

V čase t1 trakční pohon dosáhne své základní rychlosti a zároveň dosáhne maximálního povoleného výkonu. Následně pokračuje další zrychlování za podmínek konstantního výkonu. Jak rychlost nadále roste během této fáze, točivý moment a zrychlení postupně klesají.

Do času t2 se točivý moment pohonu rovná točivému momentu zatížení, když je dosaženo stabilní rychlosti. Proces zrychlování od 0 do t2 lze rozdělit do dvou samostatných fází. Od 0 do t1 je zrychlení charakterizováno konstantním točivým momentem, kdy pohon aplikuje konzistentní rotující sílu k rychlému nabytí rychlosti. Pak od t1 do t2 probíhá zrychlení za podmínek konstantního výkonu. Zde, jak rychlost stoupá, pohon obětuje točivý moment, aby udržel pevný výkon, což vede k postupnému klesání zrychlení, dokud se v t2 nedosáhne rovnováhy s točivým momentem zatížení.

Mezi časy t2 a t3 udržuje vlak konstantní rychlost a pracuje při stabilním výkonu pohonu. Tento období se nazývá fáze volného pohybu. Během této fáze vlak klouzavě jede po trati, kde pohonná síla přesně vyváží odporné síly, což zajišťuje konzistentní a efektivní pohyb.

Když nastane vhodný čas v t4, zapne se brzdový systém. Tímto aktem se inicioje kontrolovaný proces zpomalování, který postupně snižuje rychlost vlaku, dokud se nakonec nezastaví na následující stanici, připraven sloužit další skupině cestujících nebo transportovat náklad na zamýšlené místo.