دیوان برقی جریان‌ده
تعریف
رانش الکتریکی که از انرژی الکتریکی برای حرکت به جلو استفاده می‌کند، به عنوان رانش الکتریکی شناخته می‌شود. یکی از کاربردهای اصلی رانش الکتریکی، حمل و نقل افراد و کالاها از یک مکان به مکان دیگر است. رانش‌ها عمدتاً به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: رانش الکتریکی تک‌فاز AC و رانش DC.
خدمات رانش الکتریکی
خدمات رانش الکتریکی به طور کلی به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
قطارهای الکتریکی
قطارهای خط اصلی
قطارهای محلی
اتوبوس‌ها، ترامواها و تروله‌ها الکتریکی
وسایل نقلیه باتری و خورشیدی
در ادامه توضیحات دقیق‌تری از این خدمات رانش الکتریکی آورده شده است.
قطارهای الکتریکی
قطارهای الکتریکی که روی ریل‌های ثابت حرکت می‌کنند، به قطارهای خط اصلی و قطارهای محلی تقسیم‌بندی می‌شوند.
قطارهای خط اصلی
در این قطارها، انرژی به موتور به یکی از دو روش تامین می‌شود: یا از طریق یک خط بالاسری در لوکوموتیف الکتریکی یا از طریق یک سیستم ژنراتور دیزلی در لوکوموتیف دیزلی.
در لوکوموتیف الکتریکی، موتور راننده در داخل خود لوکوموتیف قرار دارد. یک خط انتقال بالاسری کنار یا بالای خط ریل نصب شده است. یک جمع‌آور کننده جریان با یک نوار هدایت‌کننده روی لوکوموتیف نصب شده است. این نوار هدایت‌کننده روی هادی تغذیه لیز می‌کند و تماس الکتریکی بین منبع تغذیه و لوکوموتیف را حفظ می‌کند. هادی تغذیه به طور معمول به عنوان سیم تماسی شناخته می‌شود. برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد بین جمع‌آور کننده جریان و سیم تغذیه، از کابل‌های کاتناری و سیم‌های آویزان استفاده می‌شود.
در قطارهای با سرعت بالا، از یک جمع‌آور پانتوگراف استفاده می‌شود. این جمع‌آور به دلیل شکل پنج‌ضلعی خاص خود نام خود را گرفته است. جمع‌آور شامل یک نوار هدایت‌کننده است که با استفاده از فنرهای فشاری به سیم تماسی فشرده می‌شود. معمولاً این نوار هدایت‌کننده از فولاد ساخته شده و نقش مهمی در حفظ فشار مداوم بین خود و سیم تماسی دارد. این فشار مداوم برای جلوگیری از نوسانات عمودی و اطمینان از اتصال پایدار و قابل اعتماد در حالی که قطار با سرعت بالا حرکت می‌کند، ضروری است. این اتصال پایدار برای تأمین برق مداوم به سیستم‌های الکتریکی قطار و عملکرد صاف و کارآمد آن حیاتی است.
یک منبع تغذیه تک‌فاز در کل خط ریل نصب شده است. جریان الکتریکی از طریق جمع‌آور وارد لوکوموتیف می‌شود. سپس از طریق سیم اولیه ترانسفورماتور پله‌ای کاهشی عبور می‌کند و از طریق چرخ‌های لوکوموتیف به زمین منبع تغذیه بازمی‌گردد. سیم ثانویه ترانسفورماتور برق به مدولاتور قدرت تغذیه می‌کند که به نوبه خود موتور رانش را می‌راند. علاوه بر این، خروجی ثانویه ترانسفورماتور تجهیزات کمکی مانند مراوح خنک‌کننده و سیستم‌های تهویه مطبوع را تغذیه می‌کند.
قطارهای محلی
قطارهای محلی، که به طور معمول به عنوان قطارهای محلی شناخته می‌شوند، برای سفرهای کوتاه مسافت طراحی شده‌اند. این قطارها متوقفات متعددی در فواصل نسبتاً کوتاه دارند. برای بهبود عملکرد شتاب و کندش، قطارهای محلی از واگن‌های موتوری شده استفاده می‌کنند. این تنظیمات نسبت وزن واگن‌های موتوری شده به وزن کل قطار را افزایش می‌دهد.
هر واگن موتوری شده با یک سیستم رانش الکتریکی و یک جمع‌آور پانتوگراف تجهیز شده است. معمولاً واگن‌های موتوری شده و غیرموتوری شده به نسبت ۱:۲ استفاده می‌شوند. برای قطارهای محلی با قدرت بالا، این نسبت ممکن است به ۱:۱ افزایش یابد. قطارهای تشکیل شده از واگن‌های موتوری شده و غیرموتوری شده به عنوان قطارهای چندواحد الکتریکی (EMU) شناخته می‌شوند. مکانیسم تغذیه برق قطارهای محلی مشابه قطارهای خط اصلی است با یک استثنا: قطارهای زیرزمینی.
قطارهای زیرزمینی از یک سیستم تغذیه برق مستقیم (DC) استفاده می‌کنند. این انتخاب عمدتاً به دلیل این است که سیستم‌های تغذیه DC نیاز به فاصله کمتری بین هادی برق و بدنه قطار دارند. علاوه بر این، سیستم‌های DC طراحی مدولاتور قدرت را ساده‌تر می‌کنند و هزینه و پیچیدگی آن را کاهش می‌دهند. برخلاف قطارهای روی زمین، قطارهای زیرزمینی از خطوط انتقال بالاسری استفاده نمی‌کنند. به جای آن، برق از طریق خطوط ریل یا هادی‌های نصب شده در یک طرف تونل تأمین می‌شود.
اتوبوس‌ها، ترامواها و تروله‌های الکتریکی
این نوع وسایل نقلیه الکتریکی معمولاً از طراحی واگن با یک موتور راننده استفاده می‌کنند. آنها انرژی را از خطوط بالاسری DC ولتاژ پایین نصب شده کنار جاده تأمین می‌کنند. با توجه به نیاز جریان کمتر، مکانیسم جمع‌آوری جریان معمولاً شامل یک میله با چرخ گودی‌دار در انتهای آن یا دو میله متصل به یک کمان تماس است. سیستم جمع‌آوری طراحی شده بسیار انعطاف‌پذیر است و شامل یک هادی اضافی برای بازگشت جریان الکتریکی است تا تأمین برق پایدار و مداوم برای عملکرد وسیله نقلیه را تضمین کند.
ترامواها نوعی وسیله نقلیه الکتریکی هستند که روی ریل‌ها حرکت می‌کنند و معمولاً از یک واگن موتوری شده تشکیل شده‌اند. در برخی موارد، یک یا چند واگن غیرموتوری شده برای افزایش ظرفیت مسافر به آنها متصل می‌شود. سیستم جمع‌آوری جریان آنها مشابه اتوبوس‌های الکتریکی است. به طور قابل توجهی، مسیر بازگشت جریان الکتریکی می‌تواند از طریق یکی از خطوط ریل ایجاد شود. چون ترامواها روی ریل‌های ثابت حرکت می‌کنند، مسیرهای آنها در جاده پیش‌تعیین شده و خدمات حمل و نقل قابل اعتماد و مداوم ارائه می‌دهند.
تروله‌های الکتریکی عمدتاً برای حمل مواد در معادن و کارخانه‌ها استفاده می‌شوند. این وسایل نقلیه بیشتر روی ریل‌ها حرکت می‌کنند و شباهت‌های زیادی با ترامواها دارند، با این تفاوت که شکل فیزیکی آنها متفاوت است.
ویژگی‌های مهم رانش‌های الکتریکی
ویژگی‌های کلیدی رانش‌های الکتریکی در ادامه بیان شده‌اند
نیاز به گشتاور بالا: رانش‌ها نیاز دارند تا گشتاور قابل توجهی در مرحله شروع و شتاب برای حرکت جرم سنگین وسیله نقلیه تولید کنند. این نیاز به گشتاور بالا مطمئن می‌کند که قطار یا سایر وسایل نقلیه رانش بتواند اینرسی را غلبه کرده و سرعت مورد نظر را به صورت کارآمد به دست آورد.
منبع تغذیه تک‌فاز AC در رانش AC: به دلایل اقتصادی، در سیستم‌های رانش جریان متناوب (AC)، معمولاً از منبع تغذیه تک‌فاز استفاده می‌شود. این انتخاب کمک می‌کند تا هزینه‌های مربوط به زیرساخت‌ها، تولید برق و توزیع را کاهش دهد و عملکرد کلی را اقتصادی‌تر کند.
نوسانات ولتاژ: در سیستم‌های رانش الکتریکی، نوسانات قابل توجهی در منبع تغذیه وجود دارد. این نوسانات به ویژه زمانی که لوکوموتیف از یک بخش تغذیه به بخش دیگری حرکت می‌کند، مشهود است و معمولاً منجر به قطعات موقتی می‌شود. چنین نوسانات ولتاژی می‌توانند چالش‌هایی برای عملکرد پایدار تجهیزات رانش ایجاد کنند و نیاز به طراحی و استراتژی‌های کنترل دقیق برای کاهش اثرات آنها دارند.
تداخل هارمونیک: هر دو سیستم رانش AC و DC هارمونیک‌ها را به منبع برق وارد می‌کنند. این هارمونیک‌ها می‌توانند با خطوط تلفن و سیستم‌های سیگنالی مجاور تداخل ایجاد کنند و ممکن است منجر به اختلال در زیرساخت‌های ارتباطی و سیگنالی شوند. استفاده از فیلترهای کافی و استراتژی‌های کاهش این تداخل‌ها برای حفظ عملکرد صحیح این خدمات حیاتی ضروری است.
سیستم‌های ترمز: رانش‌ها عمدتاً از ترمز دینامیکی استفاده می‌کنند که انرژی جنبشی وسیله نقلیه را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، یا آن را به صورت گرما تلف می‌کند یا آن را به شبکه برق بازمی‌گرداند. علاوه بر این، ترمزهای مکانیکی زمانی که وسیله نقلیه در حالت توقف است استفاده می‌شوند تا توقف و حفظ قابل اعتماد آن را تضمین کنند و ایمنی در تمام شرایط عملیاتی را اطمینان‌بخش کنند.
چرخه کاری رانش‌های الکتریکی
چرخه کاری یک رانش الکتریکی می‌تواند از طریق تحلیل نمودارهای سرعت-زمان و نمودارهای قدرت-گشتاور-زمان به طور مؤثر درک شود. در نظر بگیرید یک رانش الکتریکی که بین دو ایستگاه متوالی روی یک مسیر سطحی کار می‌کند. در شروع، قطار با گشتاور ماکسیمم قابل دستیابی شتاب می‌گیرد. در این مرحله شتاب، مصرف انرژی رانش با افزایش سرعت خطی افزایش می‌یابد، که انرژی مورد نیاز برای غلبه بر اینرسی و حرکت وسیله نقلیه را نشان می‌دهد.
در زمان t1، رانش الکتریکی به سرعت پایه خود می‌رسد و همزمان، قدرت ماکسیمم مجاز به دست می‌آید. پس از آن، شتاب‌دهی تحت شرایط ثابت-قدرت ادامه می‌یابد. در این مرحله، با افزایش سرعت، هر دو گشتاور و شتاب به تدریج کاهش می‌یابند.
در زمان t2، گشتاور رانش برابر با گشتاور بار می‌شود، که در آن نقطه سرعت ثابتی به دست می‌آید. فرآیند شتاب‌دهی از 0 تا t2 می‌تواند به دو مرحله متمایز تقسیم شود. از 0 تا t1، شتاب با گشتاور ثابت مشخص می‌شود که رانش یک نیروی چرخشی مداوم اعمال می‌کند تا سرعت را به سرعت ساخت. سپس از t1 تا t2، شتاب‌دهی تحت شرایط ثابت-قدرت انجام می‌شود. در این مرحله، با افزایش سرعت، رانش گشتاور را کاهش می‌دهد تا خروجی قدرت ثابت را حفظ کند، که منجر به کاهش نرخ شتاب می‌شود تا در زمان t2 تعادل با گشتاور بار برقرار شود.
بین زمان t2 و t3، قطار با سرعت ثابت و با قدرت ثابت رانش حرکت می‌کند. این دوره به عنوان فاز حرکت آزاد شناخته می‌شود. در این مرحله، قطار به صورت صاف و بدون وقفه روی خط حرکت می‌کند، با نیروی رانش که مقاومت‌ها را به طور دقیق تعادل می‌دهد و حرکت مداوم و کارآمد را تضمین می‌کند.
هنگامی که زمان مناسب در t4 می‌رسد، سیستم ترمز فعال می‌شود. این عمل یک فرآیند کنترل شده ترمز را آغاز می‌کند که به تدریج سرعت قطار را کاهش می‌دهد تا در نهایت در ایستگاه بعدی متوقف شود و آماده خدمت به دسته بعدی از مسافران یا حمل بار خود به مقصد مورد نظر باشد.
