انگیزه‌های الکتریکی
تعریف
رانش الکتریکی که از انرژی الکتریکی برای حرکت به جلو استفاده می‌کند، رانش الکتریکی نامیده 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 تک‌فاز AC و رانش DC.
خدمات رانش الکتریکی
خدمات رانش الکتریکی می‌توانند به طور کلی به شرح زیر دسته‌بندی شوند:
قطارهای الکتریکی
قطارهای خط اصلی
قطارهای حومه شهر
اتوبوس‌ها، ترامواها و ترولی‌های الکتریکی
خودروهای 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 حومه شهر تقسیم می‌شوند.
قطارهای خط اصلی
در این قطارها، انرژی به موتور به یکی از دو روش تأمین می‌شود: یا از طریق خط بالانداز در لوکوموتیف الکتریک یا از طریق مجموعه ژنراتور دیزل در لوکوموتیف دیزل.
در لوکوموتیف الکتریک، موتور رانش در داخل خود لوکوموتیف قرار دارد. یک خط انتقال بالانداز کنار یا بالای خط راه‌آهن نصب شده است. یک جمع‌کننده جریان مجهز به یک نوار هادی روی لوکوموتیف نصب شده است. این نوار هادی در طول هادی تغذیه لیز می‌کند و تماس الکتریکی بین منبع تغذیه و لوکوموتیف را حفظ می‌کند. هادی تغذیه به طور معمول به عنوان سیم تماس شناخته می‌شود. برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد بین جمع‌کننده جریان و سیم تغذیه، از کابل‌های کاتناری و سیم‌های پرتاب استفاده می‌شود.
در قطارهای با سرعت بالا، از جمع‌کننده پانتوگراف استفاده می‌شود. این جمع‌کننده به دلیل شکل پنج‌ضلعی خود این نام را به خود اختصاص داده است. جمع‌کننده دارای یک نوار هادی است که با استفاده از فنرهایی محکم به سیم تماس فشار داده می‌شود. این نوار هادی معمولاً از فولاد ساخته شده و نقش مهمی در حفظ فشار ثابت بین خود و سیم تماس دارد. این فشار ثابت برای جلوگیری از نوسانات عمودی و اطمینان از اتصال پایدار و قابل اعتماد بین قطار با سرعت بالا و سیم تماس ضروری است. این اتصال پایدار برای تأمین برق بدون وقفه به سیستم‌های الکتریکی قطار و عملکرد صاف و کارآمد آن حیاتی است.
منبع تغذیه تک‌فاز در طول کل خط راه‌آهن نصب شده است. جریان الکتریکی از طریق جمع‌کننده وارد لوکوموتیف می‌شود. سپس از طریق سیم اولیه ترانسفورماتور پایین‌بردن ولتاژ می‌گذرد 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 دستگاه‌های کمکی مانند مراوح خنک‌کننده و سیستم‌های تهویه مطبوع را تغذیه می‌کند.
قطارهای حومه شهر
قطارهای حومه شهر که به طور معمول به عنوان قطارهای محلی شناخته می‌شوند، برای سفرهای کوتاه مسافت طراحی شده‌اند. این قطارها در فواصل نسبتاً کوتاه متوقف می‌شوند. برای بهبود عملکرد شتاب و کندش، قطارهای حومه شهر از واگن‌های موتوری شده استفاده می‌کنند. این ساختار نسبت وزن واگن‌های موتوری شده به وزن کل قطار را افزایش می‌دهد.
هر واگن موتوری شده مجهز به یک سیستم رانش الکتریکی و یک جمع‌کننده پانتوگراف است. معمولاً واگن‌های موتوری شده و غیرموتوری به نسبت ۱:۲ استفاده می‌شوند. برای قطارهای حومه شهر با قدرت بالا، این نسبت ممکن است به ۱:۱ افزایش یابد. قطارهای تشکیل شده از واگن‌های موتوری شده و واگن‌های کششی به عنوان قطارهای چندواحدی الکتریکی (EMU) شناخته می‌شوند. مکانیسم تغذیه برق قطارهای حومه شهر مشابه قطارهای خط اصلی است، با یک استثنا: قطارهای زیرزمینی.
قطارهای زیرزمینی از سیستم تغذیه برق مستقیم (DC) استفاده می‌کنند. این انتخاب عمدتاً به این دلیل 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 بالای زمین، قطارهای زیرزمینی از خطوط انتقال بالانداز استفاده نمی‌کنند. به جای آن، برق از طریق ریل‌های حرکت یا هادی‌های نصب شده در یک طرف تونل تأمین می‌شود.
اتوبوس‌ها، ترامواها و ترولی‌های الکتریکی
این نوع خودروهای الکتریکی معمولاً دارای طراحی واگن موتوری شده با یک موتور هستند. آنها از خطوط بالانداز DC با ولتاژ پایین نصب شده در کنار جاده انرژی می‌گیرند. با توجه به نیاز جریان کمتر، مکانیسم جمع‌کننده جریان غالباً شامل یک میله با چرخ لبه‌دار در انتهای آن یا دو میله متصل به یک کمان تماس است. سیستم جمع‌کننده جریان طراحی شده است تا بسیار انعطاف‌پذیر باشد و شامل یک هادی اضافی برای تسهیل بازگشت جریان الکتریکی است تا تأمین برق پایدار و مداوم برای عملکرد خودرو امکان‌پذیر باشد.
ترامواها نوعی خودروی الکتریکی هستند که روی ریل‌ها حرکت می‌کنند و معمولاً شامل یک واگن موتوری شده هستند. در برخی موارد، یک یا چند واگن کششی بدون موتور به آن متصل می‌شوند تا ظرفیت مسافر را افزایش دهند. سیستم جمع‌کننده جریان آنها مشابه اتوبوس‌های الکتریکی است. به طور قابل توجهی، مسیر بازگشت جریان الکتریکی می‌تواند از طریق یکی از ریل‌ها ایجاد شود. چون ترامواها روی ریل‌های ثابت حرکت می‌کنند، مسیر آنها در جاده تعیین شده و خدمات حمل و نقل قابل اعتماد و ثابتی ارائه می‌دهند.
ترولی‌های الکتریکی عمدتاً برای حمل مواد در معادن و کارخانجات استفاده می‌شوند. این خودروها بیشتر روی ریل‌ها حرکت می‌کنند و شباهت‌های زیادی با ترامواها دارند، با تفاوت اصلی در شکل ظاهری آنها.
ویژگی‌های مهم رانش‌های الکتریکی
ویژگی‌های کلیدی رانش‌های الکتریکی در زیر توضیح داده شده‌اند
نیاز به گشتاور بالا: رانش‌ها باید در فاز‌های شروع و شتاب گشتاور قابل توجهی تولید کنند تا جرم سنگین خودرو را به حرکت درآورند. این نیاز به گشتاور بالا مطمئن می‌کند که قطار یا خودروی دیگر رانش بتواند اینرسی را غلبه کرده و به سرعت مورد نظر به صورت کارآمد برسد.
تغذیه تک‌فاز AC در رانش AC: به دلایل اقتصادی، در سیستم‌های رانش جریان متناوب (AC) معمولاً از تغذیه تک‌فاز استفاده می‌شود. این انتخاب کمک می‌کند تا هزینه‌های مربوط به زیرساخت، تولید و توزیع برق را کاهش دهد و عملکرد کلی را اقتصادی‌تر کند.
نوسانات ولتاژ: در سیستم‌های رانش الکتریکی نوسانات ولتاژ قابل توجهی وجود دارد. این نوسانات به ویژه زمانی که لوکوموتیف از یک بخش تغذیه به بخش دیگر می‌رود، برجسته می‌شود و معمولاً منجر به قطع موقت می‌شود. چنین تغییرات ولتاژی می‌تواند چالش‌هایی برای عملکرد پایدار تجهیزات رانش ایجاد کند و نیاز به طراحی و استراتژی‌های کنترل دقیق برای کاهش اثرات آن دارد.
تداخل هارمونیک: هر دو سیستم رانش AC و DC هارمونیک‌ها را به منبع برق منتقل می‌کنند. این هارمونیک‌ها می‌توانند با خطوط تلفن و سیستم‌های سیگنالی در نزدیکی خود تداخل ایجاد کنند و ممکن است منجر به اختلال در زیرساخت‌های ارتباطی و سیگنالی شوند. استفاده از فیلترهای کافی و اقدامات کاهش تداخل ضروری است تا این تداخل را به حداقل برسانند و عملکرد صحیح این خدمات حیاتی را تضمین کنند.
سیستم‌های ترمز: رانش‌ها عمدتاً از ترمز دینامیکی استفاده می‌کنند که انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و آن را یا به صورت گرما تلف می‌کند یا به شبکه برق باز می‌گرداند. علاوه بر این، برای توقف و نگهداری خودرو در موقعیت‌های ثابت، از ترمزهای مکانیکی استفاده می‌شود تا ایمنی در تمام شرایط عملیاتی تضمین شود.
چرخه کاری رانش‌های الکتریکی
چرخه کاری یک رانش الکتریکی می‌تواند از طریق تحلیل نمودارهای سرعت-زمان و نمودارهای قدرت-گشتاور-زمان به طور موثری فهمیده شود. فرض کنید یک رانش الکتریکی بین دو ایستگاه متوالی در یک خط سطحی کار می‌کند. در شروع، قطار با گشتاور ماکزیمم قابل دستیابی شتاب می‌گیرد. در این فاز شتاب، مصرف انرژی رانش به صورت خطی با افزایش سرعت افزایش می‌یابد که انرژی مورد نیاز برای غلبه بر اینرسی و حرکت خودرو را نشان می‌دهد.
در زمان t1، رانش به سرعت پایه خود می‌رسد و همزمان، قدرت مجاز ماکزیمم نیز به دست می‌آید. پس از آن، شتاب‌گیری تحت شرایط قدرت ثابت ادامه می‌یابد. با افزایش سرعت در این فاز، گشتاور و شتاب به تدریج کاهش می‌یابند.
در زمان t2، گشتاور رانش با گشتاور بار برابر می‌شود و در این نقطه سرعت ثابتی به دست می‌آید. فرآیند شتاب‌گیری از 0 تا t2 می‌تواند به دو مرحله متمایز تقسیم شود. از 0 تا t1، شتاب با گشتاور ثابت مشخص می‌شود که رانش نیروی چرخشی یکسانی را برای سریع‌تر شدن سرعت اعمال می‌کند. سپس از t1 تا t2، شتاب‌گیری تحت شرایط قدرت ثابت اتفاق می‌افتد. در اینجا، با افزایش سرعت، رانش گشتاور را کاهش می‌دهد تا خروجی قدرت ثابت را حفظ کند، که منجر به کاهش نرخ شتاب‌گیری تا زمانی که در t2 تعادل با گشتاور بار برقرار می‌شود می‌شود.
بین زمان t2 و t3، قطار با سرعت ثابت و قدرت ثابت رانش حرکت می‌کند. این دوره به عنوان فاز حرکت آزاد شناخته می‌شود. در این مرحله، قطار به صورت صاف و کارآمد روی خط حرکت می‌کند، با نیروی رانش که دقیقاً نیروهای مقاومت را تعادل می‌دهد.
در زمان مناسب t4، سیستم ترمز فعال می‌شود. این اقدام یک فرآیند کنترل‌شده کندش 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 مسافران یا حمل بار به مقصد مورد نظر باشد.
