Elektriske trakjonsdriv

Definisjon

En antriev som bruker elektrisk energi for å fremme bevegelse, kalles en elektrisk traktsantriev. En av de viktigste anvendelsene av en elektrisk antriev er transport av mennesker og gods fra ett sted til et annet. Traktantriever er hovedsakelig kategorisert i to typer: den enefasede AC-traktantrieven og DC-traktantrieven.

Elektriske trakttjenester

Elektriske trakttjenester kan bredt kategoriseres som følger:

• Elektriske tog

• Hovedlinjetog

• Forstadsbanetog

• Elektriske buss, sporvogn og trolleybuss

• Batteridrevne og solcelledrevne kjøretøy

Følgende er en detaljert forklaring av disse elektriske trakttjenestene.

Elektriske tog

Elektriske tog, som kjører på faste skinner, er videre under delt i hovedlinjetog og forstadsbanetog.

Hovedlinjetog
I disse togene leveres strøm til motoren på én av to måter: enten fra en overhengende ledning i et elektrisk lokomotiv eller via en dieseldrivd generatorsett i et diesellokomotiv.

I et elektrisk lokomotiv er drivmotoren plassert inne i selve lokomotivet. En overføringsledning er installert ved siden av eller over jernbanesporet. En strømkollektor, utstyrt med en lederstripe, er montert på lokomotivet. Denne lederstripa glir langs strømlederen, dermed vedlikeholder elektrisk kontakt mellom strømforsyningen og lokomotivet. Strømlederen er ofte referert til som kontakttråden. For å sikre en pålitelig kobling mellom strømkollektoren og strømlederen, brukes katener og dropperledninger.

I hurtigtog bruker man en pantografkollektor. Formet som en pentagon, gir denne unike designet navnet sitt. Kollektoren har en lederstripe som presses hardt mot kontakttråden ved hjelp av fjærer. Vanligvis laget av stål, spiller denne lederstripa en viktig rolle i å opprettholde konstant trykk mellom seg selv og kontakttråden. Dette konstante presset er essensielt for å unngå vertikale svingninger, og sikre en stabil og pålitelig elektrisk kobling mens hurtigtogene reiser med høy hastighet. Denne stabile koblingen er viktig for uavbrutt strømforsyning til togets elektriske systemer, noe som muliggjør jevnt og effektiv drift.

En enefasede strømforsyning er installert langs hele jernbanesporet. Elektrisk strøm går inn i lokomotivet via kollektoren. Den passerer gjennom primærspolen i en nedtrekkstransformator og returnerer til strømforsyningens jord gjennom lokomotivets hjul. Sekundærspolen i strømtransformatoren leverer strøm til strømmodulator, som igjen driver traktmotoren. I tillegg leverer sekundæruutgangen av transformatoren strøm til hjelpeenheter som kjølevifter og luftkondisjoneringssystemer.

Forstadsbanetog
Forstadsbanetog, også ofte referert til som lokale tog, er designet for kortdistansereise. Disse togene stopper hyppig på relativt nære intervaller. For å forbedre akselerasjons- og dekelerasjonsytelsen, inkluderer forstadsbanetog motoriserte vognsett. Denne konfigurasjonen øker andelen av togets vekt som bæres av drivhjulene i forhold til det totale togvekten.

Hver motorisert vogn er utstyrt med et elektrisk antrievsystem og en pantografkollektor. Vanligvis brukes motoriserte og ikke-motoriserte vogner i et forhold på 1:2. For høyeffektsforstadsbanetog kan dette forholdet økes til 1:1. Tog bestående av motoriserte og sladdvogner kalles for Electrical Multiple Unit (EMU)-tog. Strømforsyningsmekanismen for forstadsbanetog er lik den for hovedlinjetog, med ett notabelt unntak: underjordiske forstadsbanetog.

Underjordiske tog bruker et direkte strøm (DC) strømforsyningssystem. Dette valget er hovedsakelig fordi DC-forsyningssystemer krever mindre frirom mellom strømlederen og togkroppen. I tillegg forenkler DC-systemer designet av strømmodulator, noe som reduserer både dens kompleksitet og kostnad. I motsetning til overjordiske tog, bruker underjordiske tog ikke overhengende overføringsledninger. I stedet leveres strøm enten gjennom kjørehjulene eller fra ledere installert på en side av tunellen.

Elektriske buss, sporvogn og trolleybuss
Disse typene elektriske kjøretøy har vanligvis et enmotordrevet vognsett. De trekker strøm fra lavspænding DC-overhengende ledninger installert langs veien. Gitt de relativt lave strømbehov, består strøminnhentningsmekanismen ofte av en stav med en grovet hjul ved enden, eller to staver forbundet med en kontaktbue. Innhentningssystemet er konstruert for å være svært fleksibelt, og det inkluderer en ekstra leder for å forenkle retur av elektrisk strøm, noe som sikrer en stabil og kontinuerlig strømforsyning for kjøretøyets drift.

Sporvogner er en type elektrisk drevet kjøretøy som kjører på skinner og består vanligvis av en enmotordrevet vogn. I noen tilfeller fester man to eller flere ubelasted sladdvogner for å øke passasjerkapasiteten. Deres strøminnhentningssystem er sammenlignbart med det til elektriske buss. Notabelt er at returveien for elektrisk strøm kan etableres gjennom en av skinnene. Ettersom sporvogner opererer på faste skinner, er ruten langs veien forhåndsbestemt, noe som gir en pålitelig og konsekvent transporttjeneste.

Elektriske trolleyer blir hovedsakelig brukt for transport av materialer i gruve- og fabriksmiljø. Disse kjøretøyene kjører hovedsakelig på skinner og deler mange likheter med sporvogner, med hovedforskjellen liggende i deres fysiske form.

Viktige egenskaper ved elektriske traktantriever

De nøkkelmessige karakteristikkene ved elektriske traktantriever er utført nedenfor

• Høyt dreiemomentkrav: Traktantriever må generere betydelig dreiemoment under start- og akselerasjonsfasen for å sette i gang det tunge kjøretøyets masse. Dette høye dreiemomentbehovet sikrer at toget eller annet traktkjøretøy kan overvinne inerti og nå ønsket fart effektivt.

• Enefase AC-strømforsyning i AC-trakt: Av økonomiske hensyn, benyttes en enefase strømforsyning ofte i alternerende strøm (AC) traktantriever. Dette valget bidrar til å redusere kostnader relatert til infrastruktur, strømproduksjon og -distribusjon, noe som gjør den totale operasjonen mer økonomisk forsvarlig.

• Spenningsfluktuasjoner: Strømforsyningen i elektriske traktantriever opplever betydelige spenningsfluktuasjoner. Disse fluktuasjonene er spesielt markerte når lokomotivet beveger seg fra én strømforsyningsseksjon til en annen, ofte med momentane avbrytelser. Slike spenningsvariasjoner kan representere utfordringer for stabil drift av traktutstyr, og krever omhufuldt design og kontrollstrategier for å mildre deres effekter.

• Harmonisk interferens: Både AC- og DC-traktantriever injiserer harmoniske bølger i strømkilden. Disse harmoniske bølgene kan forstyrre nærbeliggende telefonlinjer og signalanordninger, potensielt forårsake forstyrrelser i kommunikasjons- og signalinfrastrukturen. Tilstikkende filtrering og milde tiltak er nødvendige for å minimere denne interferensen og sikre korrekt funksjon av disse kritiske tjenestene.

• Bremsesystemer: Traktantriever baserer seg hovedsakelig på dynamisk bremsing, som konverterer kinetisk energi i det bevegende kjøretøyet til elektrisk energi, enten ved å dissipere det som varme eller ved å tilføre det tilbake til strømnettet. I tillegg brukes mekaniske bremer når kjøretøyet står stille for å gi pålitelig stopping og holdepålitelighet, og sikre sikkerhet i alle driftsforhold.

Duty cycle for elektriske traktantriever

Duty cyclet for en elektrisk traktantriev kan effektivt forstås gjennom analyse av fart-tidkurver og effekt-dreiemoment-tid-diagrammer. Betrakt en traktantriev som opererer mellom to påfølgende stasjoner på et flat spor. Ved starten akselererer toget med maksimalt opptilgjengelig dreiemoment. Under denne akselerasjonsfasen øker antrievens strømforbruk lineært med økende fart, noe som reflekterer energien som trengs for å overvinne inerti og fremme kjøretøyet.

Ved tidspunkt t1, når traktantrieven når sin basisfart, og samtidig oppnår den maksimale tillatte effekten. Deretter fortsetter ytterligere akselerasjon under konstant-effekt-betingelser. Som farten fortsatt øker under denne fasen, gradvis minker både dreiemomentet og akselerasjonen.

Ved tidspunkt t2 blir antrievdreiemomentet lik lastdreiemomentet, og da oppnås en stabil fart. Akselerasjonsprosessen fra 0 til t2 kan deles inn i to distinkte stadier. Fra 0 til t1, er akselerasjonen karakterisert av konstant dreiemoment, hvor antrieven legger til en konsekvent rotasjonskraft for raskt å bygge opp fart. Deretter, fra t1 til t2, foregår akselerasjon under konstant-effekt-betingelser. Her, som farten øker, offerer antrieven dreiemoment for å opprettholde den faste effektutdataen, noe som resulterer i en synkende akselerasjonsrate inntil likevekt med lastdreiemomentet etableres ved t2.

Mellom tidspunkt t2 og t3, beholder toget en konstant fart mens det opererer med en stabil antrieveffekt. Denne perioden kalles frikjøringfasen. Under denne fasen glider toget jevnt langs sporet, med drivkrefter som nøyaktig balanserer motstands krefter, noe som sikrer en konsekvent og effektiv bevegelse.

Når det riktige øyeblikket kommer ved tidspunkt t4, aktiveres bremseanordningen. Dette initierer en kontrollert dekelerasjonsprosess, som gradvis reduserer togets fart til det til slutt stopper på neste stasjon, klar til å servere neste part passasjerer eller transportere sin last til det avsatte destinasjonen.