Sähköiset vetovoimat

Määritelmä

Sähköinen vetovoima on ajoneuvo, joka käyttää sähköä liikkeen luomiseen. Sähköisen vetovaihdejärjestelmän pääasiallinen sovellus on ihmisten ja tavaroiden kuljetus paikasta toiseen. Vetovoimat voidaan pääasiassa jakaa kahteen tyypin: yksivaiheiseen vaihtosähköiseen vetovoimaan ja jännitevaihdejärjestelmään perustuvaan vetovoimaan.

Sähköiset vetovoimapalvelut

Sähköiset vetovoimapalvelut voidaan laajasti luokitella seuraavasti:

• Sähköjunat

• Pääraidejunnat

• Lähijunnat

• Sähköautot, raitiovaunut ja trollit

• Akku- ja aurinkovoimate voimat autot

Seuraavassa on yksityiskohtainen selitys näistä sähköisistä vetovoimapalveluista.

Sähköjunat

Sähköjunat, jotka liikkuvat kiinteillä raudoilla, on edelleen jaettu pääraidejunqueihin ja lähijunqueihin.

Pääraidejunnat
Näissä juneissa moottorille toimitetaan energia kahdella tavalla: joko yläjohtoista sähköisen lokomoottorin kautta tai dieselin generatorijärjestelmän kautta diesellökomoottorissa.

Sähköisessä lokomoottorissa ajamoottori on sijoitettu itse lokomoottoriin. Yläjohto on asennettu raudatien vieressä tai sen ylle. Lokomoottoriin on kiinnitetty sähkönkeräilijä, jossa on johtokappale. Tämä johtokappale liukuu sähköjohtimen yli, ylläpitäen sähköyhteyden sähköntoimituksen ja lokomoottorin välillä. Sähköjohtimea kutsutaan yleensä kosketusjohtimeksi. Luotettavan yhteyden varmistamiseksi sähkönkeräilijän ja sähköjohtimen välillä käytetään katenaarijohtoja ja laskevia johtoja.

Nopeiden junien tapauksessa käytetään pantografikeräilijää. Tämän ainutlaatuisen muodon ansiosta se on saanut nimensä. Keräilijällä on johtokappale, joka painetaan tiiviisti kosketusjohtimen kimppuun kevyillä keinoilla. Johtokappale valmistetaan yleensä teräksestä, ja se on tärkeä osa, joka ylläpitää vakiaista painetta itsensä ja kosketusjohtimen välillä. Tämä vakioitu paine on välttämätöntä vertikaalisten heilahtelujen estämiseksi, mikä takaa vakavan ja luotettavan sähköyhteyden nopean junan nopean liikkeen aikana. Tämä vakaa yhteys on elintärkeä sähköjärjestelmän keskeytymättömälle toiminnalle, mikä mahdollistaa sujuvan ja tehokkaan toiminnan.

Yksivaiheinen sähköntoimitus on asennettu koko rautatieväylän pituudelle. Sähkö virtaa lokomoottoriin keräilijän kautta. Se kulkee sitten alentajan muuntimen ensimmäisen spiraalin läpi ja palaa sähköntoimituksen maan yli lokomoottorin pyöröiden kautta. Muuntimen toisen spiraalin toimittama sähkö kuljetetaan teho-modulaattorille, joka puolestaan ajaa vetovoima-moottoria. Lisäksi muuntimen toisesta spiraalista toimitetaan apulaitteille, kuten jäähdyttimille ja ilmastointijärjestelmille.

Lähijunnat
Lähijunnat, joita kutsutaan myös paikallijunqueiksi, on suunniteltu lyhyen matkan kuljetuksille. Nämä junat pysähtyvät usein suhteellisen lähelle toisiaan. Nopeuden nostamisen ja hidastamisen parantamiseksi lähijunniin on integroitu moottorisoitteinen vaunu. Tämä konfiguraatio lisää ajopainon suhteellista osuutta kokonaishapon painoon nähden.

Jokaisella moottorisoitteisella vaunulla on sähköinen ajosysteemi ja pantografikeräilijä. Yleensä moottorisoitteisten ja ei-moottorisoitteisten vaunujen suhde on 1:2. Korkeatehoisissa lähijunissa tämä suhde voi olla 1:1. Moottorisoitteista ja trailerivaunuista koostuvat junat tunnetaan nimellä sähköinen moniyksikkö (EMU). Lähijunien sähköntoimitusmekanismi on samankaltainen kuin pääraidejunqueilla, paitsi alueellisten lähijunien käsittelyssä.

Maanalaiset junat käyttävät suoravirtasähköistä (DC) toimitusjärjestelmää. Tämä valinta perustuu pääasiassa siihen, että DC-toimitusjärjestelmät vaativat vähemmän tilaa sähköjohtimen ja junan välillä. Lisäksi DC-järjestelmät yksinkertaistavat teho-modulaattorin suunnittelua, mikä vähentää sen monimutkaisuutta ja kustannuksia. Maanpäällisiin junteihin verrattuna maanalaiset junat eivät käytä yläjohtoja. Sen sijaan sähkö toimitetaan joko juoksuryhmien kautta tai tunnelin yhdeltä puolelta asennetuista johtimista.

Sähköautot, raitiovaunut ja trollit
Nämä sähköajoneuvot tyypillisesti käyttävät yhden moottorin vaunuja. Ne hakevat sähköä matalajännitteisistä DC-yläjohtoista, jotka on asennettu tieohjausreitin viereen. Koska sähkövirran tarve on suhteellisen pieni, sähkönkeräilymekanismi koostuu usein rodusta, jossa on reunalaita, tai kahdesta rodusta, jotka on yhdistetty kosketuskaareella. Keräilijäjärjestelmä on suunniteltu erittäin joustavaksi, ja siihen sisältyy lisäjohto, joka helpottaa sähkövirran paluuta, taaten vakian ja jatkuvan sähköntoimituksen ajoneuvon toimintaan.

Raitiovaunut ovat sähkövoimaisia ajoneuvoja, jotka liikkuvat raudoilla ja tyypillisesti koostuvat yhdestä moottorivoimakkaasta vaunusta. Jotkut tapauksissa voidaan liittää kaksi tai useampi epämoottorisoitteinen trailerivaunu lisätäkseen matkustajakapasiteettia. Niiden sähkönkeräilyjärjestelmä on samankaltainen kuin sähköbussien. Huomattavaa on, että sähkövirran paluupolku voidaan toteuttaa yhden raidan kautta. Raitiovaunut liikkuvat kiinteillä raudoilla, mikä takaa luotettavan ja jatkuvan kuljetuspalvelun.

Sähköiset trollit käytetään pääasiassa materiaalien kuljetukseen kaivoksissa ja tehtaissa. Nämä ajoneuvot liikkuvat pääasiassa raudoilla ja niillä on paljon yhteistä raitiovaunujen kanssa, mutta ne eroavat fysikaalisessa muodossaan.

Sähköisten vetovoimajärjestelmien tärkeät ominaisuudet

Sähköisten vetovoimajärjestelmien avainpiirteet on esitelty alla

• Korkea torque-vaatimus: Vetovoimajärjestelmien on tuotettava huomattava torque käynnistyksen ja kiihdytyksen aikana, jotta ne voivat liikuttaa ajoneuvon raskasta massa. Tämä korkea torque-vaatimus takaa, että juna tai muu vetovoimajärjestelmä voi ylittää inertian ja saavuttaa halutun nopeuden tehokkaasti.

• Yksivaiheinen AC-toimitus vaihtosähköisessä vetovoimassa: Taloudellisten harkintojen vuoksi yksivaiheinen sähköntoimitus on yleisesti käytössä vaihtosähköisissä vetovoimasysteemeissä. Tämä valinta auttaa vähentämään infrastruktuuriin, sähköntuotantoon ja -jakeluun liittyviä kustannuksia, tekemässä koko operaation taloudellisesti kannattavammaksi.

• Jännitteen vaihtelut: Sähköisissä vetovoimasysteemeissä sähköntoimituksen jännite kokenee merkittäviä vaihteluja. Nämä vaihtelut ovat erityisen huomattavia, kun lokomootti siirtyy yhdestä toimitusalasta toiseen, usein aiheuttamalla hetkellisiä katkoksia. Näiden jännitevaihtelujen vaikutukset voivat haastaa vetovoimajärjestelmän vakavan toiminnan, ja niiden hallitsemiseen vaaditaan huolellista suunnittelua ja ohjausstrategioita.

• Harmoniset häiriöt: Sekä vaihto- että suorasähköiset vetovoimasysteemit tuovat harmonioita sähkölähteeseen. Nämä harmoniat voivat häiritä lähellä olevia puhelinlinjoja ja signaalijärjestelmiä, mahdollisesti aiheuttaen häiriöitä viestintä- ja signaalirakenteisiin. Riittävät suodatus- ja hillitsemismitat ovat välttämättömiä näiden häiriöiden minimoinnin ja kriittisten palveluiden asianmukaisen toiminnan varmistamiseksi.

• Jarrutussysteemit: Vetovoimajärjestelmät perustuvat pääasiassa dynaamiseen jarrutukseen, joka muuttaa ajoneuvon liikeenergian sähköenergiaksi, joko hävittäen sen lämpönä tai syöttäen sen takaisin sähköverkkoon. Lisäksi mekaanisia jarruja käytetään, kun ajoneuvo on paikoillaan, tarjoten luotettavia pysäytys- ja pidätyskykyjä, varmistamalla turvallisuus kaikissa toimintatiloissa.

Sähköisten vetovoimajärjestelmien työkierto

Sähköisen vetovoimajärjestelmän työkierto voidaan tehokkaasti ymmärtää nopeus-aika-kaaviojen ja teho-torque-aika-kaavion analysoinnin avulla. Harkitse vetovoimajärjestelmää, joka toimii kahden peräkkäisen aseman välillä tasaisella radalla. Aloitusvaiheessa juna kiihdyttää maksimitoiveen torqueilla. Kiihdytyksen aikana vetovoiman energiankulutus kasvaa lineaarisesti nopeuden nousun mukaan, heijastuen energian tarpeesta ylittää inertia ja liikuttaa ajoneuvoa eteenpäin.

Ajanhetkellä t1 vetovoima saavuttaa perusnopeutensa, ja samanaikaisesti saavutetaan maksimisallitettu teho. Tämän jälkeen kiihdytys jatkuu vakion tehosta. Kun nopeus jatkaa kasvua tässä vaiheessa, sekä torque että kiihtyvyys vähenevät asteittain.

Ajanhetkellä t2 vetovoiman torque on sama kuin kuormituksen torque, jolloin tasainen nopeus saavutetaan. Kiihdytyksen prosessi 0:sta t2:een voidaan jakaa kahteen erilliseen vaiheeseen. Vaiheessa 0–t1 kiihdytys on vakio torque, jossa vetovoima soveltaa jatkuvaa pyörimisvoimaa nopeuden nopeaan rakentumiseen. Sitten t1–t2 vaiheessa kiihdytys tapahtuu vakion tehosta. Tässä vaiheessa, kun nopeus nousee, vetovoima uhraa torquen ylläpitääkseen vakion tehon, mikä johtaa hidastuvaan kiihtyvyyteen, kunnes tasapaino kuormituksen torquen kanssa saavutetaan ajanhetkellä t2.

Ajanhetkellä t2–t3 juna ylläpitää vakionopeutta vakion vetotehon avulla. Tämä aika on tunnettu vapaa-ajo-vaiheena. Tässä vaiheessa juna liukuu sujuvasti radalla, kun ajovoima täsmälleen tasapainottaa vastoinkäymisvoimat, taaten jatkuvan ja tehokkaan liikkeen.

Kun sopiva hetki tulee ajanhetkellä t4, jarrutusjärjestelmä aktivoituu. Tämä aloittaa kontrolloidun hidastumisprosessin, jossa junan nopeus vähenee asteittain, kunnes se lopulta pysähtyy seuraavalle asemalle, valmiina palvelemaan seuraavaa joukkoa matkustajia tai kuljettamaan lastinsa tavoitteelliseen kohteeseen.