Elektriske traktdriv

Definition

En driv, der bruger elektrisk energi til at fremme bevægelsen, kaldes en elektrisk traktionsdriv. En af de primære anvendelser af et elektrisk driv er transport af mennesker og varer fra ét sted til et andet. Traktionsdriv kan hovedsageligt inddeles i to typer: den enefasede AC-traktionsdriv og DC-traktionsdriv.

Elektriske Traktionstjenester

Elektriske traktionstjenester kan bredt inddeles som følger:

• Elektriske tog

• Hovedlinjetog

• Forstadstog

• Elektriske busser, sporbil og trollebusser

• Batteri- og solcelledre køretøjer

Følgende er en detaljeret forklaring på disse elektriske traktionstjenester.

Elektriske Tog

Elektriske tog, der kører på faste skinner, er yderligere underopdelt i hovedlinjetog og forstadstog.

Hovedlinjetog
I disse tog leveres strøm til motoren på en af to måder: enten fra en overhængende ledning i et elektrisk lokomotiv eller via en dieselgenerator i et diesellokomotiv.

I et elektrisk lokomotiv er drevsmotoren placeret inden for selve lokomotivet. En overhængende transmissionsledning er installeret ved siden af eller over jernbanesporet. En strømfanger, udstyret med en lederstrip, er monteret på lokomotivet. Denne lederstrip glider langs strømforsyningsledningen, hvilket opretholder elektrisk kontakt mellem strømforsyningen og lokomotivet. Strømforsyningsledningen kaldes ofte for kontakttråden. For at sikre en pålidelig forbindelse mellem strømfangeren og strømforsyningsledningen anvendes katener og dropperledninger.

I højhastighedstog anvendes en pantografstrømfanger. Dens unikke femkantede form giver den sit navn. Strømfangeren har en lederstrip, der trykkes fast mod kontakttråden ved hjælp af fjeder. Typisk produceret af stål, spiller denne lederstrip en vigtig rolle i at opretholde konstant pres mellem sig selv og kontakttråden. Dette konstante pres er afgørende for at undgå vertikale svingninger, hvilket sikrer en stabil og pålidelig elektrisk forbindelse, mens højhastighedstoget kører hurtigt. Denne stabile forbindelse er vital for uafbrudt strømforsyning til togets elektriske systemer, hvilket gør drift smidig og effektiv.

En enefasede strømforsyning er installeret langs hele jernbanesporet. Strømmen indgår i lokomotivet via strømfangeren. Den passer derefter igennem primærspolen i en nedsættende transformator og returnerer til strømforsyningens jord via lokomotivets hjul. Sekundærspolen i strømtransformatoren leverer strøm til strømmodulator, som i sin tur drev traktionsmotoren. Desuden leverer sekundæruddata fra transformatoren strøm til hjælpeenheder såsom kølingventilatorer og luftkonditioneringssystemer.

Forstadstog
Forstadstog, også kendt som lokale tog, er designet til kortafstandstransport. Disse tog stopper hyppigt med relativt korte intervaller. For at forbedre acceleration og deceleration inkluderer forstadstog motoriserede vognr. Denne konfiguration øger andelen af togets vægt, der bæres af drevshjulene, i forhold til det samlede togvægt.

Hver motoriseret vogn er udstyret med et elektrisk drivsystem og en pantografstrømfanger. Typisk bruges motoriserede og ikke-motoriserede vogne i en forhold på 1:2. For højkraftige forstadstog kan dette forhold være øget til 1:1. Tog sammensat af motoriserede og slæbervogne kaldes Electrical Multiple Unit (EMU) tog. Strømforsyningsmekanismen for forstadstog er lignende den for hovedlinjetog, med én bemærkelsesværdig undtagelse: underjordiske forstadstog.

Underjordiske tog anvender en direkte strømforsyning (DC). Dette valg skyldes primært, at DC-forsyningsystemer kræver mindre afstand mellem strømforsyningsledningen og togkroppen. Desuden forenkler DC-systemer designet af strømmodulatoren, hvilket reducerer både dens kompleksitet og omkostninger. I modsætning til overjordiske tog anvender underjordiske tog ikke overhængende transmissionsledninger. I stedet leveres strøm enten gennem løbende skinner eller fra ledninger installeret på en side af tunnellen.

Elektriske Busser, Sporbil og Trollebusser
Disse typer elektriske køretøjer har typisk en enkeltmotor-drevet vognkonstruktion. De henter strøm fra lavspænding DC-overhængende ledninger installeret langs vejen. Givet de relativt lave strømkrav består strømsamlingmekanismen ofte af en stav med en grovet hjul ved dets ende, eller to staver forbundet af en kontaktbug. Samlingsystemet er udviklet til at være meget fleksibelt, og det inkluderer en ekstra leder for at muliggøre retur af elektrisk strøm, hvilket sikrer en stabil og kontinuerlig strømforsyning til køretøjets drift.

Sporbil er en type elektrisk drevet køretøj, der kører på skinner, og typisk består af en enkeltmotorvogn. I nogle tilfælde er to eller flere ikke-motoriserede slæbervogne koblet til for at øge passagerkapaciteten. Deres strømsamlingsystem er sammenligneligt med elektriske busser. Notabelt er, at returvejen for elektrisk strøm kan oprettes gennem en af skinnerne. Da sporbil kører på faste skinner, er deres ruter langs vejen forudbestemt, hvilket giver en pålidelig og konsekvent transporttjeneste.

Elektriske trollebusser anvendes hovedsageligt til transport af materialer i gruve- og fabriksanlæg. Disse køretøjer kører hovedsageligt på skinner og har mange ligheder med sporbil, med den største forskel liggende i deres fysiske form.

Vigtige Karakteristika af Elektriske Traktionsdriv

De nøglekarakteristika af elektriske traktionsdriv er uddybet nedenfor

• Høj Krydsningsmoment Krav: Traktionsdriv skal generere betydeligt krydsningsmoment under start- og accelerationsfasen for at bevæge det tunge køretøj. Dette høje krydsningsmoment krav sikrer, at toget eller andet traktionskøretøj kan overvinde inertiet og opnå den ønskede hastighed effektivt.

• Enefasede AC-Forsyning i AC-Traktion: Af økonomiske årsager anvendes en enefasede strømforsyning ofte i alternerende strøm (AC) traktionssystemer. Dette valg hjælper med at reducere omkostninger relateret til infrastruktur, strømproduktion og -distribution, hvilket gør den samlede drift mere økonomisk bæredygtig.

• Spændingsfluktuationer: Strømforsyningen i elektriske traktionssystemer oplever betydelige spændingsfluktuationer. Disse fluktuationer er især udtalte, når lokomotivet bevæger sig fra ét forsyttingsområde til et andet, ofte resulterer i midlertidige afbrydelser. Sådanne spændingsvariationer kan udgøre udfordringer for den stabile drift af traktionsudstyr og kræver en omhyggelig design og kontrolstrategier for at mildne deres virkninger.

• Harmoniske Støj: Både AC- og DC-traktionssystemer indfører harmoniske i strømkilden. Disse harmoniske kan forstyrre nærliggende telefonledninger og signalsystemer, potentielt forårsage forstyrrelser i kommunikations- og signalsinfrastruktur. Adekvate filtrering og mildningsforanstaltninger er afgørende for at minimere denne forstyrrelse og sikre korrekt funktion af disse kritiske tjenester.

• Bremse Systemer: Traktionsdriv afhænger hovedsageligt af dynamisk bremse, der konverterer det kinetiske energi af det bevægende køretøj til elektrisk energi, enten dissiperer det som varme eller føder det tilbage til strømnettet. Desuden anvendes mekaniske bremsen, når køretøjet er stillestående, for at give pålidelig stop og holde evner, der sikrer sikkerhed i alle driftsforhold.

Cyclesprog for Elektriske Traktionsdriv

Cyclesproget for et elektrisk traktionsdriv kan effektivt forstås gennem analyse af hastighed-tidskurver og effekt-krydsningsmoment-tidsdiagrammer. Betragt et traktionsdriv, der opererer mellem to konsekutive stationer på et fladt spor. Ved starten accelererer toget ved hjælp af det maksimalt opnåelige krydsningsmoment. Under denne accelerationsfase øges strømforsygningsforbruget lineært med den stigende hastighed, hvilket afspejler den energi, der kræves for at overvinde inertiet og bevæge køretøjet fremad.

Ved tidspunkt t1, når traktionsdriv dets basis-hastighed, og samtidig opnås den maksimale tilladte effekt. Efter dette fortsætter yderligere acceleration under en konstant-effekt-betingelse. Som hastigheden fortsætter med at stige under denne fase, falder både krydsningsmomentet og accelerationen gradvist.

Ved tidspunkt t2 bliver drivkrydsningsmomentet lig med belastningsmomentet, hvorved en stabil hastighed opnås. Accelerationsprocessen fra 0 til t2 kan inddeles i to distinkte faser. Fra 0 til t1 er accelerationen karakteriseret ved konstant krydsningsmoment, hvor driv anvender en konstant roterende kraft for hurtigt at opbygge hastighed. Derefter, fra t1 til t2, finder acceleration sted under en konstant-effekt-regime. Her, da hastigheden stiger, opgiver driv krydsningsmoment for at opretholde den faste effektudgang, hvilket resulterer i en aftagende accelerationsrate, indtil ligevægt med belastningsmomentet er opnået ved t2.

Mellem tidspunkt t2 og t3 opretholder toget en konstant hastighed, mens det opererer med en stabil driv-effekt. Denne periode kaldes for den frie løbende fase. Under denne fase glider toget let langs sporet, med drivkraften præcis i balance med modvirken, hvilket sikrer en konstant og effektiv bevægelse.

Når det passende øjeblik ankommer ved tidspunkt t4, aktiveres bremse-systemet. Dette initierer en kontrolleret decelerationsproces, der gradvist reducerer togets hastighed, indtil det endelig kommer til stand ved den næste station, klar til at servere den næste gruppe passagerer eller transportere sin last til det ønskede destination.