Napędy elektryczne trakcyjne

Definicja

Napęd, który wykorzystuje energię elektryczną do napędzania naprzód, nazywany jest napędem trakcyjnym elektrycznym. Jednym z głównych zastosowań napędu elektrycznego jest transport osób i towarów z jednego miejsca do drugiego. Napędy trakcyjne są przede wszystkim podzielone na dwa typy: jednofazowy napęd trakcyjny prądem przemiennym i napęd trakcyjny prądem stałym.

Usługi trakcji elektrycznej

Usługi trakcji elektrycznej można szeroko sklasyfikować następująco:

• Pociągi elektryczne

• Pociągi głównolinowe

• Pociągi podmiejskie

• Autobusy elektryczne, tramwaje i trolejbusy

• Pojazdy napędzane bateriami i energią słoneczną

Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie tych usług trakcji elektrycznej.

Pociągi elektryczne

Pociągi elektryczne, które poruszają się po stałe ułożonych szynach, są dalej podzielone na pociągi głównolinowe i podmiejskie.

Pociągi głównolinowe
W tych pociągach energia jest dostarczana do silnika w jednym z dwóch sposobów: albo z linii powietrznej w lokomotywie elektrycznej, albo za pomocą zestawu generatora diesla w lokomotywie spalinowej.

W lokomotywie elektrycznej silnik napędowy znajduje się wewnątrz samej lokomotywy. Linia przesyłowa jest montowana obok lub nad torami kolejowymi. Zbieracz prądu wyposażony w pas przewodzący jest zamontowany na lokomotywie. Ten pas przewodzący ślizga się wzdłuż przewodu zasilającego, utrzymując kontakt elektryczny między zasilaniem a lokomotywą. Przewód zasilający jest często nazywany przewodem kontaktowym. Aby zapewnić niezawodne połączenie między zbieraczem prądu a przewodem zasilającym, stosowane są kabli sieciowych i kabli zawieszających.

W szybkich pociągach wykorzystywany jest zbieracz pantografowy. Ma kształt pięciokąta, co dało mu swoją nazwę. Zbieracz ten ma pas przewodzący, który jest mocno przyciskany do przewodu kontaktowego przy pomocy sprężyn. Zwykle wykonany ze stali, ten pas przewodzący odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu stała ciśnienia między sobą a przewodem kontaktowym. To stałe ciśnienie jest niezbędne do zapobiegania pionowym drganiami, zapewniając stabilne i niezawodne połączenie elektryczne, gdy szybki pociąg porusza się z dużą prędkością. To stabilne połączenie jest kluczowe dla ciągłego zasilania systemów elektrycznych pociągu, umożliwiając płynne i efektywne działanie.

Zasilenie jednofazowe jest instalowane wzdłuż całego toru kolejowego. Prąd elektryczny wchodzi do lokomotywy przez zbieracz. Następnie przechodzi przez cewkę pierwotną transformatora obniżającego i wraca do ziemi zasilania poprzez koła lokomotywy. Cewka wtórna transformatora zasiliwa modulator mocy, który z kolei napędza silnik trakcyjny. Ponadto wyjście wtórne transformatora zasila urządzenia pomocnicze, takie jak wentylatory chłodzące i systemy klimatyzacyjne.

Pociągi podmiejskie
Pociągi podmiejskie, znane również jako pociągi lokalne, są zaprojektowane do krótkich tras. Te pociągi zatrzymują się często w stosunkowo bliskich odstępach. Aby poprawić osiągi przy przyspieszaniu i hamowaniu, pociągi podmiejskie posiadają wagoniki motorowe. Ta konfiguracja zwiększa proporcję masy pociągu, którą noszą koła napędowe, w stosunku do całkowitej masy pociągu.

Każdy wagonik motorowy jest wyposażony w system napędu elektrycznego i zbieracz pantografowy. Zwykle stosowane są wagoniki motorowe i niemotorowe w proporcji 1:2. Dla pociągów podmiejskich o wysokiej mocy ta proporcja może być zwiększona do 1:1. Pociągi składające się z wagoników motorowych i wagoników doczepnych nazywane są pociągami wieloczłonowymi elektrycznymi (EMU). Mechanizm zasilania pociągów podmiejskich jest podobny do tego w pociągach głównolinowych, z jednym istotnym wyjątkiem: pociągami podziemnymi.

Pociągi podziemne wykorzystują system zasilania prądem stałym. Wybór ten wynika głównie z faktu, że systemy zasilania prądem stałym wymagają mniejszej odległości między przewodem zasilającym a ciałem pociągu. Ponadto, systemy prądu stałego upraszczają projekt modulatora mocy, zmniejszając jego złożoność i koszt. W przeciwieństwie do pociągów naziemnych, pociągi podziemne nie używają linii przesyłowych powietrznych. Zamiast tego, zasilanie jest dostarczane albo poprzez tory bieżące, albo z przewodów zamontowanych po jednej stronie tunelu.

Autobusy elektryczne, tramwaje i trolejbusy
Ten rodzaj pojazdów elektrycznych zwykle ma konstrukcję z pojedynczym wagonikiem napędzanym silnikiem. Pobierają energię z niskonapięgowych linii powietrznych prądem stałym umieszczonych wzdłuż drogi. Ze względu na stosunkowo niskie wymagania prądowe, mechanizm pobierania prądu często składa się z pręta z kołem rowkowanym na końcu, lub dwóch prętów połączonych łukiem kontaktowym. System zbieracza jest zaprojektowany do dużej elastyczności i obejmuje dodatkowy przewód, aby umożliwić powrót prądu elektrycznego, zapewniając stabilne i ciągłe zasilanie pojazdu.

Tramwaje to rodzaj pojazdów elektrycznych, które poruszają się po szynach i zwykle składają się z pojedynczego wagoniku motorowego. W niektórych przypadkach do zwiększenia pojemności pasażerskiej dołączane są dwa lub więcej wagoników doczepnych bez napędu. Ich system zbierania prądu jest porównywalny z tym w autobusach elektrycznych. Zwracając uwagę, ścieżka powrotu prądu elektrycznego może być ustanowiona przez jedną z szyn. Ponieważ tramwaje poruszają się po stałe ułożonych szynach, ich trasy wzdłuż drogi są predeterminowane, co zapewnia niezawodną i spójną usługę transportową.

Trolejbusy są głównie wykorzystywane do transportu materiałów w kopalniach i fabrykach. Te pojazdy głównie poruszają się po szynach i mają wiele podobieństw do tramwajów, z główną różnicą polegającą na ich kształcie fizycznym.

Ważne cechy napędów trakcyjnych elektrycznych

Kluczowe cechy napędów trakcyjnych elektrycznych są szczegółowo opisane poniżej

• Wysokie wymagania dotyczące momentu obrotowego: Napędy trakcyjne muszą generować znaczną siłę obrotową podczas startu i przyspieszania, aby poruszać dużą masę pojazdu. To wysokie wymaganie momentu obrotowego zapewnia, że pociąg lub inny pojazd trakcyjny może pokonać bezwładność i osiągnąć pożądaną prędkość efektywnie.

• Zasilenie jednofazowe w napędach AC: Ze względów ekonomicznych, zasilenie jednofazowe jest powszechnie stosowane w systemach trakcji prądem przemiennym. Ten wybór pomaga w obniżeniu kosztów związanych z infrastrukturą, generacją i dystrybucją energii, co czyni całe działanie bardziej finansowo opłacalnym.

• Fluktuacje napięcia: Zasilanie w systemach trakcji elektrycznej przeżywa znaczne fluktuacje napięcia. Te fluktuacje są szczególnie widoczne, gdy lokomotywa przenosi się z jednej sekcji zasilania do drugiej, często powodując chwilowe przerwy. Takie wahania napięcia mogą stanowić wyzwanie dla stabilnego działania sprzętu trakcyjnego i wymagają ostrożnego projektowania i strategii kontroli, aby ograniczyć ich wpływ.

• Interferencja harmoniczna: Obie systemy trakcji AC i DC wprowadzają harmoniczne do źródła zasilania. Te harmoniczne mogą zakłócać pobliskie linie telefoniczne i systemy sygnalizacyjne, potencjalnie powodując zakłócenia w komunikacji i infrastrukturze sygnalizacyjnej. Adekwatne filtry i środki zaradcze są niezbędne, aby zminimalizować tę interferencję i zapewnić prawidłowe działanie tych kluczowych usług.

• Systemy hamowania: Napędy trakcyjne głównie polegają na dynamicznym hamowaniu, które przekształca kinetyczną energię poruszającego się pojazdu w energię elektryczną, rozpraszając ją jako ciepło lub zwracając ją do sieci zasilającej. Dodatkowo, hamulce mechaniczne są używane, gdy pojazd jest nieruchomy, zapewniając niezawodne zatrzymanie i utrzymanie, gwarantując bezpieczeństwo we wszystkich warunkach eksploatacji.

Cykl pracy napędów trakcyjnych elektrycznych

Cykl pracy napędu trakcyjnego elektrycznego można skutecznie zrozumieć poprzez analizę krzywych prędkości-czasu i diagramów mocy-momentu-czasu. Rozważmy napęd trakcyjny działający między dwoma kolejnymi stacjami na równym torze. Na początku pociąg przyspiesza, wykorzystując maksymalnie osiągalny moment obrotowy. W trakcie tej fazy przyspieszania zużycie mocy napędu wzrasta liniowo wraz ze wzrostem prędkości, odbijając energię potrzebną do pokonania bezwładności i poruszania pojazdem do przodu.

W czasie t1 napęd trakcyjny osiąga swoją bazową prędkość, a jednocześnie osiągana jest maksymalnie dopuszczalna moc. Następnie, dalsze przyspieszanie odbywa się w warunkach stałej mocy. Gdy prędkość nadal rośnie w tej fazie, zarówno moment obrotowy, jak i przyspieszenie stopniowo maleją.

Do czasu t2 moment napędu staje się równy momentowi obciążenia, w tym momencie osiągana jest stała prędkość. Proces przyspieszania od 0 do t2 można podzielić na dwie odrębne fazy. Od 0 do t1 przyspieszenie charakteryzuje się stałą siłą obrotową, gdzie napęd zastosowuje stałą siłę obrotową, aby szybko zbudować prędkość. Następnie, od t1 do t2, przyspieszanie zachodzi w warunkach stałej mocy. Tutaj, gdy prędkość rośnie, napęd poświęca moment obrotowy, aby utrzymać stałą moc, co prowadzi do malejącego tempa przyspieszania, aż do momentu ustalenia równowagi z momentem obciążenia w t2.

Między czasem t2 a t3 pociąg utrzymuje stałą prędkość, działając przy stałej mocy napędu. Ten okres nazywany jest fazą wolnego jazdu. W tej fazie pociąg płynnie sunie po torze, z siłą napędową dokładnie zrównoważoną z siłami oporu, zapewniając spójny i efektywny ruch.

Gdy odpowiedni moment nadejdzie w czasie t4, system hamowania zostaje włączony. Ta akcja rozpoczyna kontrolowany proces spowolniania, stopniowo redukując prędkość pociągu, aż w końcu zatrzyma się na kolejnej stacji, gotowy do obsługi kolejnej partii pasażerów lub transportu ładunku do celu przeznaczenia.