Elektrische tractieaandrijvingen

Definitie

Een aandrijving die elektrische energie gebruikt om voort te bewegen, wordt een elektrische tractiedrijving genoemd. Een van de belangrijkste toepassingen van een elektrische drijving is het vervoer van mensen en goederen van de ene naar de andere locatie. Tractiedrijvingen worden voornamelijk ingedeeld in twee types: de enkelvoudige-fase wisselstroom tractiedrijving en de gelijkstroom tractiedrijving.

Elektrische tractiediensten

Elektrische tractiediensten kunnen in brede categorieën worden ingedeeld als volgt:

• Elektrische treinen

• Hoofdlijn-treinen

• Stadsrandtreinen

• Elektrische bussen, trams en trolleybussen

• Accu- en zonne-energievoertuigen

Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg van deze elektrische tractiediensten.

Elektrische treinen

Elektrische treinen, die over vaste rails rijden, zijn verder onderverdeeld in hoofdlijn-treinen en stadsrandtreinen.

Hoofdlijn-treinen
In deze treinen wordt de motor op een van twee manieren van stroom voorzien: ofwel via een bovenleiding in een elektrische locomotief, of via een dieselelektrische generator in een diesellocomotief.

In een elektrische locomotief is de aandrijfmotor geïnstalleerd in de locomotief zelf. Een bovenleiding is geïnstalleerd naast of boven het spoor. Een stroomafneeminstallatie, uitgerust met een geleider, is op de locomotief gemonteerd. Deze geleider glijdt langs de voedingsgeleider, waardoor elektrisch contact tussen de energiebron en de locomotief wordt onderhouden. De voedingsgeleider staat ook bekend als de contactdraad. Om een betrouwbare verbinding tussen de stroomafneeminstallatie en de voedingsdraad te waarborgen, worden catenairespanningen en hangdraden gebruikt.

Bij hogesnelheidstreinen wordt een pantograaf-collector gebruikt. Deze heeft de vorm van een vijfhoek, waaraan de naam ontleend is. De collector heeft een geleider die door middel van veren stevig tegen de contactdraad wordt gedrukt. Meestal gemaakt van staal, speelt deze geleider een cruciale rol in het handhaven van constante druk tussen zichzelf en de contactdraad. Deze constante druk is essentieel om verticale oscillaties te voorkomen, waardoor een stabiele en betrouwbare elektrische verbinding wordt gewaarborgd terwijl de hogesnelheidstrein op hoge snelheden reist. Deze stabiele verbinding is cruciaal voor een ononderbroken energievoorziening aan de elektrische systemen van de trein, waardoor soepel en efficiënt functioneren mogelijk is.

Langs het hele spoor is een enkelefase-energievoorziening geïnstalleerd. De elektrische stroom komt de locomotief binnen via de collector. Vervolgens gaat het door de primaire spoel van een transformator met lagere spanning en keert terug naar de aarde van de energievoorziening via de wielen van de locomotief. De secundaire spoel van de krachttransformator levert stroom aan de vermogensmodulator, die vervolgens de tractiemotor aandrijft. Bovendien voedt de secundaire uitgang van de transformator hulpapparatuur zoals koelventilatoren en airconditioningssystemen.

Stadsrandtreinen
Stadsrandtreinen, ook wel lokale treinen genoemd, zijn ontworpen voor kortafstandsvervoer. Deze treinen maken frequente stops op relatief korte afstanden. Om de acceleratie- en deceleratieprestaties te verbeteren, hebben stadsrandtreinen gemotoriseerde rijtuigen. Deze configuratie verhoogt het aandeel van het gewicht van de trein dat door de aangedreven wielen wordt gedragen ten opzichte van het totale treingewicht.

Elk gemotoriseerd rijtuig is uitgerust met een elektrisch aandrijfsysteem en een pantograaf-collector. Meestal worden gemotoriseerde en niet-gemotoriseerde rijtuigen in een verhouding van 1:2 gebruikt. Voor krachtige stadsrandtreinen kan deze verhouding worden verhoogd tot 1:1. Treinen die bestaan uit gemotoriseerde en trailerrijtuigen worden elektrische meerdere eenheden (EMU) genoemd. Het energievoorzieningmechanisme voor stadsrandtreinen is vergelijkbaar met dat van hoofdlijn-treinen, met één uitzondering: ondergrondse stadsrandtreinen.

Ondergrondse treinen maken gebruik van een gelijkstroom (DC) energievoorzieningssysteem. Deze keuze is voornamelijk gebaseerd op het feit dat DC-voorzieningssystemen minder vrij ruimte vereisen tussen de voedingsgeleider en de treinromp. Bovendien vereenvoudigen DC-systemen het ontwerp van de vermogensmodulator, waardoor de complexiteit en kosten worden verlaagd. In tegenstelling tot bovengrondse treinen gebruiken ondergrondse treinen geen bovenleidingen. In plaats daarvan wordt de energie geleverd via de looprails of door geleiders die aan één kant van de tunnel zijn geïnstalleerd.

Elektrische bussen, trams en trolleybussen
Dit type elektrische voertuigen heeft meestal een ontwerp met één motor per rijtuig. Ze halen hun energie uit laagspannings DC-bovenleidingen die langs de weg zijn geïnstalleerd. Gezien de relatief lage stroomvereisten bestaat het stroomafname-mechanisme vaak uit een staaf met een groefwiel aan het eind, of twee staven verbonden door een contactboog. Het collectorsysteem is ontworpen om zeer flexibel te zijn en bevat een extra geleider om de terugvoer van de elektrische stroom te faciliteren, waardoor een stabiele en continue energievoorziening voor het voertuig wordt gewaarborgd.

Trams zijn een type elektrisch aangedreven voertuig dat over rails rijdt en meestal bestaat uit een gemotoriseerd rijtuig. In sommige gevallen worden twee of meer niet-gemotoriseerde trailerrijtuigen gekoppeld om de passagierscapaciteit te vergroten. Hun stroomafnamesysteem is vergelijkbaar met dat van elektrische bussen. Nota bene, de terugweg voor de elektrische stroom kan worden gecreëerd via een van de rails. Aangezien trams over vaste rails rijden, zijn hun routes langs de weg vastgesteld, wat een betrouwbare en consistente vervoersdienst biedt.

Elektrische trolley's worden voornamelijk gebruikt voor het transport van materialen in mijnen en fabrieken. Deze voertuigen rijden voornamelijk over rails en hebben veel overeenkomsten met trams, met als belangrijkste verschil hun fysieke vorm.

Belangrijke kenmerken van elektrische tractiedrijvingen

De belangrijkste kenmerken van elektrische tractiedrijvingen worden hieronder uitgelegd

• Hoge koppel-eis: Tractiedrijvingen moeten tijdens het starten en versnellen aanzienlijk koppel genereren om het zware gewicht van het voertuig te bewegen. Deze hoge koppel-eis zorgt ervoor dat de trein of ander tractievoertuig de traagheid kan overwinnen en de gewenste snelheid efficiënt kan bereiken.

• Enkelefase AC-voorziening in AC-tractie: Om economische redenen wordt in wisselstroom (AC) tractiesystemen vaak een enkelefase-energievoorziening gebruikt. Deze keuze helpt bij het verlagen van kosten die verband houden met infrastructuur, energieopwekking en -distributie, waardoor de gehele operatie financieel haalbaarder wordt.

• Spanningsfluctuaties: De energievoorziening in elektrische tractiesystemen ervaart aanzienlijke spanningsfluctuaties. Deze fluctuaties zijn vooral uitgesproken wanneer de locomotief van het ene naar het andere leveringsgedeelte verplaatst, wat vaak momentane onderbrekingen veroorzaakt. Dergelijke spanningsvariaties kunnen uitdagingen opleveren voor de stabiele werking van de tractieapparatuur en vereisen zorgvuldig ontwerp en controlestrategieën om hun effecten te minimaliseren.

• Harmonische storingen: Zowel AC- als DC-tractiesystemen injecteren harmonischen in de energiebron. Deze harmonischen kunnen storingen veroorzaken in nabijgelegen telefoonlijnen en signaalsystemen, wat potentiële verstoringen van communicatie- en signaalinfrastructuur kan veroorzaken. Adequate filtering en vermindering maatregelen zijn essentieel om deze storingen te minimaliseren en de juiste werking van deze cruciale diensten te waarborgen.

• Remsystemen: Tractiedrijvingen vertrouwen voornamelijk op dynamische remmen, die de kinetische energie van het bewegende voertuig omzetten in elektrische energie, die dan wordt afgevoerd als warmte of teruggewezen naar het net. Daarnaast worden mechanische remmen gebruikt wanneer het voertuig stilstaat om betrouwbare stop- en houdfuncties te bieden, waarmee veiligheid in alle bedrijfsomstandigheden wordt gewaarborgd.

Dienstcyclus van elektrische tractiedrijvingen

De dienstcyclus van een elektrische tractiedrijving kan effectief worden begrepen door de analyse van snelheid-tijdcurves en vermogen-koppel-tijd-diagrammen. Overweeg een tractiedrijving die werkt tussen twee opeenvolgende stations op een vlak spoor. Bij het begin versnelt de trein met maximaal haalbaar koppel. Tijdens deze versnellingsfase neemt het energieverbruik van de drijving lineair toe met de toenemende snelheid, wat de energie weergeeft die nodig is om de traagheid te overwinnen en het voertuig voort te bewegen.

Op tijdstip t1 bereikt de tractiedrijving haar basis-snelheid, en tegelijkertijd wordt het maximale toelaatbare vermogen bereikt. Hierna gaat de verdere versnelling verder onder een constant-energieconditie. Terwijl de snelheid blijft toenemen tijdens deze fase, nemen zowel het koppel als de versnelling geleidelijk af.

Op tijdstip t2 wordt het drijfkoppel gelijk aan het belastingkoppel, waarna een constante snelheid wordt bereikt. Het versnellingsproces van 0 tot t2 kan worden verdeeld in twee verschillende fasen. Van 0 tot t1 wordt de versnelling gekenmerkt door een constant koppel, waarbij de drijving een constante draaimoment geeft om snelheid op te bouwen. Vervolgens, van t1 tot t2, vindt de versnelling plaats onder een constant-energieconditie. Hierbij geeft de drijving koppel op om de vaste energie-output te behouden, wat resulteert in een afnemende versnellingsgraad totdat de evenwichtstoestand met het belastingkoppel wordt bereikt op t2.

Tussen t2 en t3 blijft de trein met constante snelheid rijden terwijl hij werkt met een constante drijfkracht. Deze periode wordt de vrije rijdperiode genoemd. Tijdens deze fase glijdt de trein soepel over het spoor, met de aandrijfkracht precies in balans met de weerstandskrachten, waardoor een consistent en efficiënt bewegen wordt gewaarborgd.

Wanneer het gepaste moment aanbreekt op tijdstip t4, wordt het remmechanisme geactiveerd. Dit initieert een gecontroleerd vertragingsproces, waardoor de snelheid van de trein geleidelijk wordt verlaagd totdat deze uiteindelijk tot stilstand komt bij het volgende station, klaar om de volgende lading passagiers of goederen naar de bestemming te vervoeren.