Elektrische Antriebe

Definition

Eine Antriebseinheit, die elektrische Energie nutzt, um vorwärts zu treiben, wird als elektrischer Traktionsantrieb bezeichnet. Eine der wichtigsten Anwendungen eines elektrischen Antriebs ist der Transport von Personen und Gütern von einem Ort zum anderen. Traktionsantriebe werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: den Einphasen-Wechselstrom-Traktionsantrieb und den Gleichstrom-Traktionsantrieb.

Elektrische Traktionsservices

Elektrische Traktionsservices können wie folgt grob kategorisiert werden:

• Elektrische Züge

• Fernverkehrszüge

• Nahverkehrszüge

• Elektrische Busse, Straßenbahnen und Trolleybusse

• Batterie- und solarbetriebene Fahrzeuge

Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erklärung dieser elektrischen Traktionsservices.

Elektrische Züge

Elektrische Züge, die auf festen Schienen fahren, werden weiter unterteilt in Fernverkehrszüge und Nahverkehrszüge.

Fernverkehrszüge
In diesen Zügen wird die Energie für den Motor auf eine von zwei Arten bereitgestellt: entweder über eine Oberleitung bei einem Elektrolokomotiven oder über einen Dieselmotor mit Generator bei einer Diesellokomotive.

Bei einer Elektrolokomotive befindet sich der Antriebsmotor innerhalb der Lokomotive selbst. Eine Oberleitung zur Energieübertragung wird neben oder über der Eisenbahnstrecke installiert. Ein Stromabnehmer, ausgestattet mit einem Leiterstreifen, ist an der Lokomotive montiert. Dieser Leiterstreifen gleitet entlang des Versorgungsleiters, wodurch der elektrische Kontakt zwischen der Energieversorgung und der Lokomotive aufrechterhalten wird. Der Versorgungsleiter wird auch als Kontaktwirbel bezeichnet. Um eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Stromabnehmer und dem Versorgungsleiter zu gewährleisten, werden Hängekabel und Abhängkabel verwendet.

Bei Hochgeschwindigkeitszügen wird ein Pantographenstromabnehmer verwendet. Diese spezielle Form, die an ein Fünfeck erinnert, gibt ihm seinen Namen. Der Stromabnehmer verfügt über einen Leiterstreifen, der durch Federn fest gegen den Kontaktwirbel gepresst wird. Normalerweise aus Stahl hergestellt, spielt dieser Leiterstreifen eine entscheidende Rolle, um einen konstanten Druck zwischen sich und dem Kontaktwirbel aufrechtzuerhalten. Dieser konstante Druck ist entscheidend, um vertikale Schwingungen zu verhindern und eine stabile und zuverlässige elektrische Verbindung sicherzustellen, während der Hochgeschwindigkeitszug mit hoher Geschwindigkeit fährt. Diese stabile Verbindung ist entscheidend für eine ununterbrochene Energieversorgung der elektrischen Systeme des Zuges, was eine reibungslose und effiziente Betriebsführung ermöglicht.

Eine Einphasen-Energieversorgung ist entlang der gesamten Eisenbahnstrecke installiert. Der elektrische Strom gelangt über den Stromabnehmer in die Lokomotive. Er fließt dann durch die Primärwicklung eines Spannungsabbau-Transformators und kehrt über die Räder der Lokomotive zum Erdpotential der Energieversorgung zurück. Die Sekundärwicklung des Transformators versorgt den Leistungsmodulator, der wiederum den Traktionsmotor antreibt. Darüber hinaus versorgt die sekundäre Ausgabe des Transformators Hilfsgeräte wie Lüfter und Klimaanlagen.

Nahverkehrszüge
Nahverkehrszüge, auch bekannt als Regionalzüge, sind für kurze Strecken ausgelegt. Diese Züge machen häufige Halte in relativ kurzen Abständen. Um die Beschleunigungs- und Verzögerungsleistung zu verbessern, verfügen Nahverkehrszüge über motorisierte Wagen. Diese Konfiguration erhöht das Verhältnis des Gewichts, das von den Antriebsrädern getragen wird, im Vergleich zum Gesamtgewicht des Zuges.

Jeder motorisierte Wagen ist mit einem elektrischen Antriebssystem und einem Pantographenstromabnehmer ausgestattet. In der Regel werden motorisierte und nicht-motorisierte Wagen im Verhältnis 1:2 verwendet. Bei leistungsstarken Nahverkehrszügen kann dieses Verhältnis auf 1:1 erhöht werden. Züge, die aus motorisierten und Beiwagen bestehen, werden als elektrische MehrfachEinheiten (EMU) bezeichnet. Das Energieversorgungsmechanismus für Nahverkehrszüge ist ähnlich dem der Fernverkehrszüge, mit einer bemerkenswerten Ausnahme: U-Bahnen.

U-Bahnen verwenden ein Gleichstrom-Energieversorgungssystem. Diese Wahl ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass Gleichstrom-Versorgungssysteme weniger Abstand zwischen dem Energieleiter und dem Zugkörper benötigen. Darüber hinaus vereinfachen Gleichstrom-Systeme die Konstruktion des Leistungsmodulators, was sowohl seine Komplexität als auch seine Kosten reduziert. Im Gegensatz zu oberirdischen Zügen verwenden U-Bahnen keine Oberleitungen. Stattdessen wird die Energie entweder über die Fahrschienen oder über Leiter, die an einer Seite des Tunnels installiert sind, bereitgestellt.

Elektrische Busse, Straßenbahnen und Trolleybusse
Diese Arten von elektrischen Fahrzeugen verfügen in der Regel über ein einmotoriges Wagenkonzept. Sie beziehen ihre Energie aus niederspannungsfähigen Gleichstrom-Oberleitungen, die entlang der Straße installiert sind. Angesichts der vergleichsweise geringen Stromanforderungen besteht das Stromabnehmermechanismus oft aus einem Stab mit einem gerillten Rad am Ende oder aus zwei Stäben, die durch einen Kontaktkamm verbunden sind. Das Sammelsystem ist sehr flexibel gestaltet und enthält einen zusätzlichen Leiter, um den Rückfluss des elektrischen Stroms zu ermöglichen und eine stabile und kontinuierliche Energieversorgung für den Betrieb des Fahrzeugs sicherzustellen.

Straßenbahnen sind ein Typ elektrisch betriebener Fahrzeuge, die auf Schienen fahren und in der Regel aus einem einmotorigen Wagen bestehen. In manchen Fällen werden zwei oder mehr nicht motorisierte Beiwagen angehängt, um die Passagierkapazität zu erhöhen. Ihr Stromabnehmersystem ist vergleichbar mit dem von elektrischen Bussen. Bemerkenswert ist, dass der Rückweg für den elektrischen Strom durch eine der Schienen erfolgen kann. Da Straßenbahnen auf festen Schienen fahren, sind ihre Routen entlang der Straße vorgegeben, was einen zuverlässigen und konsistenten Verkehrsdienst bietet.

Elektrische Trolleybusse werden hauptsächlich für den Materialtransport in Bergwerken und Fabriken eingesetzt. Diese Fahrzeuge fahren in der Regel auf Schienen und ähneln Straßenbahnen in vielen Aspekten, wobei der Hauptunterschied in ihrer physischen Form liegt.

Wichtige Merkmale von elektrischen Traktionsantrieben

Die wichtigsten Merkmale von elektrischen Traktionsantrieben werden im Folgenden erläutert

• Hohe Drehmomentanforderung: Traktionsantriebe müssen während des Start- und Beschleunigungsprozesses ein beträchtliches Drehmoment erzeugen, um die schwere Masse des Fahrzeugs voranzubringen. Diese hohe Drehmomentanforderung sorgt dafür, dass der Zug oder das andere Traktionsfahrzeug die Trägheit überwinden und die gewünschte Geschwindigkeit effizient erreichen kann.

• Einphasen-Wechselstrom-Versorgung in Wechselstrom-Traktion: Aus wirtschaftlichen Gründen wird in Wechselstrom-Traktionssystemen häufig eine Einphasen-Energieversorgung verwendet. Diese Wahl hilft, die Kosten für Infrastruktur, Energieerzeugung und -verteilung zu reduzieren, was den Gesamtbetrieb finanziell attraktiver macht.

• Spannungsschwankungen: Die Energieversorgung in elektrischen Traktionssystemen weist erhebliche Spannungsschwankungen auf. Diese Schwankungen sind besonders ausgeprägt, wenn die Lokomotive von einem Versorgungsabschnitt zum nächsten wechselt, was oft zu kurzzeitigen Unterbrechungen führt. Solche Spannungsschwankungen können Herausforderungen für den stabilen Betrieb der Traktionsausrüstung darstellen und erfordern sorgfältige Entwurfs- und Steuerungsstrategien, um ihre Auswirkungen zu mildern.

• Harmonische Störungen: Sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom-Traktionssysteme injectieren Harmonische in die Energiequelle. Diese Harmonischen können in benachbarten Telefonleitungen und Signalanlagen stören und potenziell Kommunikations- und Signalinfrastrukturen beeinträchtigen. Angemessene Filter- und Minimierungsmaßnahmen sind notwendig, um diese Störungen zu minimieren und den ordnungsgemäßen Betrieb dieser kritischen Dienste sicherzustellen.

• Bremsen: Traktionsantriebe verlassen sich hauptsächlich auf dynamische Bremsen, die die kinetische Energie des bewegten Fahrzeugs in elektrische Energie umwandeln, entweder um sie als Wärme abzuführen oder sie ins Stromnetz zurückzuspeisen. Zusätzlich werden mechanische Bremsen verwendet, wenn das Fahrzeug stillsteht, um eine zuverlässige Stillstellung und Haltekraft zu gewährleisten und die Sicherheit in allen Betriebszuständen zu gewährleisten.

Dienstzyklus von elektrischen Traktionsantrieben

Der Dienstzyklus eines elektrischen Traktionsantriebs kann effektiv durch die Analyse von Geschwindigkeits-Zeit-Kurven und Leistung-Drehmoment-Zeit-Diagrammen verstanden werden. Betrachten wir einen Traktionsantrieb, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stationen auf einer ebenen Strecke arbeitet. Am Anfang beschleunigt der Zug mit dem maximal erreichbaren Drehmoment. Während dieser Beschleunigungsphase nimmt der Energieverbrauch des Antriebs linear mit der steigenden Geschwindigkeit zu, was die Energie widergespiegelt, die erforderlich ist, um die Trägheit zu überwinden und das Fahrzeug vorwärts zu bewegen.

Zur Zeit t1 erreicht der Traktionsantrieb seine Grundgeschwindigkeit und gleichzeitig die maximal zulässige Leistung. Danach erfolgt die weitere Beschleunigung unter konstanter Leistung. Während dieser Phase nimmt die Geschwindigkeit weiter zu, wobei sowohl Drehmoment als auch Beschleunigung allmählich abnehmen.

Zur Zeit t2 wird das Antriebsdrehmoment gleich dem Lastdrehmoment, und es wird eine konstante Geschwindigkeit erreicht. Der Beschleunigungsprozess von 0 bis t2 kann in zwei deutlich verschiedene Phasen unterteilt werden. Von 0 bis t1 ist die Beschleunigung durch konstantes Drehmoment gekennzeichnet, wobei der Antrieb eine konstante rotierende Kraft anwendet, um schnell Geschwindigkeit aufzubauen. Dann, von t1 bis t2, erfolgt die Beschleunigung unter konstanter Leistung. Hier opfert der Antrieb Drehmoment, um die feste Leistungsausgabe aufrechtzuerhalten, was zu einer abnehmenden Beschleunigungsrate führt, bis zum Gleichgewicht mit dem Lastdrehmoment bei t2.

Zwischen t2 und t3 hält der Zug eine konstante Geschwindigkeit bei konstanter Antriebsleistung. Diese Periode wird als freilaufende Phase bezeichnet. Während dieser Phase gleitet der Zug glatt entlang der Schiene, wobei die Antriebskraft präzise die Reibkräfte ausgleicht, um eine konstante und effiziente Bewegung zu gewährleisten.

Wenn der geeignete Moment bei t4 kommt, wird das Bremsensystem aktiviert. Dies initiiert einen kontrollierten Verzögerungsprozess, der die Geschwindigkeit des Zuges allmählich reduziert, bis er schließlich an der nächsten Station zum Stillstand kommt, bereit, um die nächste Gruppe von Passagieren zu bedienen oder seine Fracht an den vorgesehenen Bestimmungsort zu transportieren.