Elektromos hajtások

Definíció

Az olyan hajtás, amely elektromos energiát használ a haladáshoz, elektrikus trakciós hajtásként ismert. Az elektromos hajtás egyik fő alkalmazása az emberek és áruk szállítása egy helyről a másikra. A trakciós hajtások két fő típusba oszthatók: az egyfázisú AC trakciós hajtás és a DC trakciós hajtás.

Elektrikus trakciós szolgáltatások

Az elektrikus trakciós szolgáltatások a következőkre tehetők sorba:

• Elektrikus vonatok

• Fővonalas vonatok

• Városi vonatok

• Elektrikus buszok, villamosok és trolleibuszok

• Akku- és napelemes járművek

A következő részletesen kifejti ezeket az elektrikus trakciós szolgáltatásokat.

Elektrikus vonatok

Az elektrikus vonatok, amelyek rögzített vasútvonalon futnak, tovább oszthatók fővonalas vonatokra és városi vonatokra.

Fővonalas vonatok
A motorhoz vezető energia kétféleképpen juttatható el: vagy egy felemelési vezetékkel elektrikus lokomotívában, vagy egy diesel-generátorral diesel lokomotívában.

Az elektrikus lokomotívában a meghajtó motor a lokomotíván belül található. A felemelési vezeték a vasút mellett vagy felett van telepítve. A lokomotíván egy áramgyűjtő, amely egy vezető sávval van ellátva, csatlakoztatva van. Ez a vezető sáv csúszik a tápegység vezetőjén, így fenntartja az áramforrás és a lokomotív közötti elektromos kapcsolatot. A tápegység vezetője gyakran kontaktvezetéknak nevezik. A megbízható kapcsolat biztosításához használnak katéni kábeleket és csillapító drótokat.

A magas sebességű vonatoknál pantográfos áramgyűjtőt használnak. Egy ötszög alakú, ezen egyedi dizájn miatt kapta a nevét. Az áramgyűjtőben egy vezető sáv található, amely rugókkal erős nyomással érinti a kontaktvezetéket. Általában acélból készül, és kulcsszerepet játszik a konzisztens nyomás fenntartásában a saját és a kontaktvezeték között. Ez a konzisztens nyomás szükséges a függőleges rezgések megelőzéséhez, biztosítva a stabil és megbízható elektromos kapcsolatot a magas sebességű vonat gyors mozgása közben. Ez a stabil kapcsolat létfontosságú a vonat elektromos rendszereinek folyamatos energiaellátásához, lehetővé téve a sima és hatékony működést.

Egyfázisú tápegység van telepítve a teljes vasútvonal mentén. Az áram a gyűjtőn keresztül lép be a lokomotívába. Ezután átmegy a lehajtó transzformátor elsődleges tekercsén, majd a lokomotív kerékén keresztül visszatér a tápegység földjére. A transzformátor másodlagos tekercse energiát szolgáltat a hajtómódulátor számára, amely a trakciós motort meghajtja. Emellett a transzformátor másodlagos kimenete ellátja energiaforrást a hűtőventilátorok és légkondicionáló rendszerekhez.

Városi vonatok
A városi vonatok, amelyeket gyakran helyi vonatoknak is neveznek, rövid távolságú utazásra készültek. Ezek a vonatok gyakran állnak meg viszonylag rövid távolságokon. A gyorsabb gyorsulást és lassulást a városi vonatok motorizált vagonjai biztosítják. Ez a konfiguráció növeli a hajtói kerékön repülő súly arányát a teljes vonatsúlyhoz képest.

Minden motorizált vagon elért egy elektrikus hajtás rendszerrel és egy pantográfos áramgyűjtővel. Általában a motorizált és nem motorizált vagonok aránya 1:2. A nagy teljesítményű városi vonatok esetén ez az arány 1:1-re emelkedhet. A motorizált és henger vagonokból álló vonatokat Elektromos Többegységes (EMU) vonatoknak nevezik. A városi vonatok energiaszállítási mechanizmusa hasonló a fővonalas vonatokéhoz, kivéve az alagútbeli városi vonatokat.

Az alagútbeli vonatok egyszínús (DC) tápegységrendszert használnak. Ez a döntés elsősorban arra adható, hogy a DC tápegységrendszer kevesebb tiszta teret igényel a tápegység vezetője és a vonat testje között. Továbbá a DC rendszerek egyszerűsítik a hajtómódulátor tervezését, csökkentve annak bonyolultságát és költségét. Ellentétben a felszíni vonatokkal, az alagútbeli vonatok nem használnak felemelési vezetékeket. Ehelyett az energia a futókerékken keresztül, vagy a túr oldalán lévő vezetőkön keresztül szállítódik.

Elektrikus buszok, villamosok és trolleibuszok
Ezek a típusú elektrikus járművek általában egy motoros vagonos tervezésben készülnek. Alacsony feszültségű DC felemelési vezetékekből származó energiát használnak a közúton. Mivel a relativálisan alacsony áramerőigény, az áramgyűjtő mechanizmus gyakran egy rúdszárú, rágcsáló kerekes végű, vagy két rúdszárú, kontaktírvállal ellátott rendszer. Az áramgyűjtő rendszer nagyon rugalmas, és tartalmaz egy további vezetőt, amely segít az áram visszafelé történő áramlásában, biztosítva a jármű működéséhez szükséges stabil és folyamatos energiaszállítást.

A villamosok olyan elektromos járművek, amelyek vasúton futnak, és általában egy motoros vagonból állnak. Néha két vagy több nem motorizált henger vagon csatlakoztatva van, hogy növelje a utastárgyak befogadó képességét. Az áramgyűjtő rendszere hasonló az elektrikus buszokéhoz. Megjegyzendő, hogy az áram visszafelé történő áramlását egyik vasútvonalon keresztül is biztosíthatják. Mivel a villamosok rögzített vasúton futnak, útvonaluk a közúton előre meghatározott, ami megbízható és konzisztens szállítási szolgáltatást biztosít.

Az elektrikus trolleibuszok főleg anyagok szállítására használják bányákban és gyárakban. Ezek a járművek általában vasúton futnak, és sok hasonlóságban részesülnek a villamosokkal, a fő különbség a fizikai formájukban rejlik.

Az elektrikus trakciós hajtások fontos jellemzői

Az elektrikus trakciós hajtások kulcsfontosságú jellemzőit a következőben részletezzük:

• Magas nyomatékigény: A trakciós hajtások jelentős nyomatékot kell generálniuk az indulási és gyorsulási fázisban, hogy elmozdítsák a jármű súlyos tömegét. Ez a magas nyomatékigény biztosítja, hogy a vonat vagy más trakciós jármű könnyen legyőzze az inerciát, és hatékonyan elérje a kívánt sebességet.

• Egyfázisú AC tápegység az AC trakcióban: Gazdasági okokból az egyfázisú tápegység gyakran használódik az alternatív áram (AC) trakciós rendszerekben. Ez a döntés csökkenti az infrastruktúra, az energia termelés és szállítás költségeit, tette az üzemgazdaság pénzügyileg vihetővé.

• Feszültség-fluktuációk: Az elektrikus trakciós rendszerekben jelentős feszültség-fluktuációk tapasztalhatók. Ezek a fluktuációk különösen jelentőséggel bírnak, amikor a lokomotív egyik tápegységtartományból a másikba lép, ami gyakran ideiglenes megszakadásokat eredményez. Ilyen feszültség-változások kihívást jelenthetnek a trakciós berendezések stabil működésére, és gondos tervezés és irányítási stratégiák szükségesek, hogy enyhítsék hatásukat.

• Harmonikus zavar: Mind az AC, mind a DC trakciós rendszerek harmonikus jeleket szórhatnak a tápegységbe. Ezek a harmonikus jelek zavarni tudják a közeli telefonvonalakat és jelrendszereket, potenciálisan megszakítva a kommunikációs és jelzési infrastruktúra működését. Adekvát szűrési és enyhítő intézkedések szükségesek, hogy minimalizálják ezt a zavar és biztosítsák a kritikus szolgáltatások megfelelő működését.

• Brakesz rendszerek: A trakciós hajtások főleg dinamikus brakkesz rendszerekre támaszkodnak, amelyek a mozgó jármű kinetikus energiáját elektromos energiává alakítják, vagy hőtételekben diszperziálják, vagy visszaadják a tápegységbe. Kéményszerű brakkeszeket is használnak, amikor a jármű áll, hogy megbízható megállítási és tartó képességet biztosítsanak, biztosítva a biztonságot minden működési körülmény között.

Az elektrikus trakciós hajtások ciklusideje

Az elektrikus trakciós hajtás ciklusideje hatékonyan megértetthető a sebesség-idő görbék és a teljesítmény-nyomaték-idő diagramok elemzésével. Vegyünk egy trakciós hajtást, amely két egymást követő állomás között működik egy szinten fekvő vasútvonalon. Kezdetben a vonat a maximálisan elérhető nyomaték felhasználásával gyorsul. Ez a gyorsulási fázisban a hajtás energiateljesítménye lineárisan nő a sebesség növekedésével, tükrözve az inercia legyőzéséhez és a jármű előrehaladásához szükséges energiát.

T1 időpillanatban a trakciós hajtás eléri az alapsebességét, és ugyanakkor a maximálisan megengedett teljesítményt. Ezt követően a további gyorsulás állandó teljesítmény mellett zajlik. Ahogy a sebesség tovább nő ebben a fázisban, a nyomaték és a gyorsulás lassan csökken.

T2 időpillanatban a hajtásnyomaték egyenlővé válik a terhelésnyomatékmal, ekkor konstans sebességet érnek el. A 0-től t2-ig tartó gyorsulási folyamat két különböző szakaszra bontható. 0-tól t1-ig a gyorsulás állandó nyomatékkal jellemző, ahol a hajtás konzisztens forgóerőt alkalmaz, hogy gyorsan felépítse a sebességet. Majd t1-től t2-ig a gyorsulás állandó teljesítmény mellett történik. Itt, ahogy a sebesség nő, a hajtás nyomatékot adja fel, hogy a fix teljesítményt fenntartsa, ami csökkenő gyorsulási ütemmel eredményezzi a terhelésnyomatékmal való egyensúlyt t2-nél.

T2-től t3-ig a vonat konstans sebességet tart, állandó hajtásteljesítménnyel működve. Ez a periódus a szabad futás fázisának nevezik. Ez a szakaszban a vonat simán csúszik a vasútvonalon, a hajtóerő precíz egyensúlyban van a ellenálló erőkkel, biztosítva konzisztens és hatékony mozgást.

Amikor a megfelelő pillanat elérkezik t4 időpillanatban, a brakkesz rendszer aktiválódik. Ez a művelet egy ellenőrzött lassulási folyamatot indít, fokozatosan csökkentve a vonat sebességét, amíg végül megáll az következő állomáson, készen állva a következő utastárgyak szolgáltatására vagy a szállítmány szállítására a célállomásra.