Elektriska drivsystem för traktion

Definition

En driv som använder elektrisk energi för att framdriva sig kallas för en elektrisk traktionsdriv. Ett av de viktigaste tillämpningsområdena för en elektrisk driv är transport av människor och gods från ett ställe till ett annat. Traktionsdriv delas huvudsakligen in i två typer: den enfasiga växelströms-traktionsdriv och den likströms-traktionsdriv.

Elektriska traktionstjänster

Elektriska traktionstjänster kan grovt indelas enligt följande:

• Elektriska tåg

• Huvudlinjetåg

• Förortståg

• Elektriska bussar, spårvagnar och trolleys

• Batteridrivna och solcellsdrevna fordon

Följande är en detaljerad förklaring av dessa elektriska traktionstjänster.

Elektriska tåg

Elektriska tåg, som rör sig på fasta räls, indelas vidare i huvudlinjetåg och förortståg.

Huvudlinjetåg
I dessa tåg levereras ström till motorn på ett av två sätt: antingen från en överspaningsledning i en elektrisk lokomotiv eller via en dieseldriven generatoruppsättning i en diesel-lokomotiv.

I en elektrisk lokomotiv finns drivmotorn placerad inuti lokomotivet självt. En överspaningsledning är installerad bredvid eller ovanför järnvägsspåret. En strömplockare, utrustad med en ledningsremsa, är monterad på lokomotivet. Denna ledningsremsa glider längs den strömförsörjande ledningen, vilket upprätthåller elektrisk kontakt mellan strömförsörjningen och lokomotivet. Strömförsörjningsledningen kallas vanligtvis för kontaktledningen. För att säkerställa en pålitlig anslutning mellan strömplockaren och strömförsörjningsledningen används katenaressystem och droppar.

I höghastighetståg används en pantograf-samlare. Formgiven som en pentagon ger denna unika design dess namn. Samlaren har en ledningsremsa som hålls fast mot kontaktledningen med hjälp av fjädrar. Vanligtvis tillverkad av stål spelar denna ledningsremsa en viktig roll för att upprätthålla konstant tryck mellan sig själv och kontaktledningen. Detta konstanta tryck är nödvändigt för att förhindra vertikala svängningar, vilket säkerställer en stabil och pålitlig elektrisk anslutning när det höghastighetståget färdas med hög hastighet. Denna stabila anslutning är avgörande för oförstörd strömförsörjning till tågets elektriska system, vilket möjliggör smidig och effektiv drift.

En enfas-strömförsörjning är installerad längs hela järnvägsspåret. Den elektriska strömmen går in i lokomotivet genom samlaren. Den passerar sedan genom primärspolen i en nedtransformator och återvänder till strömförsörjningens mark genom lokomotivets hjul. Sekundärspolen i strömförstärkaren matar ström till strömförstärkaren, vilken i sin tur driver traktionsmotorn. Dessutom matar sekundära utgången av transformatorn ström till hjälpmedel såsom kylningsfläktar och luftkonditionerings-system.

Förortståg
Förortståg, även kända som lokaltrafiktåg, är utformade för kortdistansresor. Dessa tåg gör ofta stopp på relativt nära avstånd. För att förbättra acceleration och deceleration prestanda inkluderar förortståg motoriserade vagnar. Denna konfiguration ökar andelen av tågets vikt som bärs av drivhjulen i förhållande till det totala tågvikten.

Varje motoriserad vagn är utrustad med ett elektriskt drivsystem och en pantograf-samlare. Vanligtvis används motoriserade och icke-motoriserade vagnar i en förhållande 1:2. För högeffektsfulla förortståg kan detta förhållande ökas till 1:1. Tåg bestående av motoriserade och dragvagnar kallas för Elektriska Flertopptrain (EMU). Strömförsörjningsmekanismen för förortståg är liknande den för huvudlinjetåg, med en notabel undantag: underjordiska förortståg.

Underjordiska tåg använder ett likströms (DC) strömförsörjningssystem. Detta val beror främst på att DC-försörjningssystem kräver mindre klarhet mellan strömförsörjningsledningen och tågboden. Dessutom förenklar DC-system designen av strömförstärkaren, vilket minskar både dess komplexitet och kostnad. I motsats till övermarks-tåg använder inte underjordiska tåg överspaningsledningar. Istället levereras ström antingen genom körfältet eller från ledningar installerade på ena sidan tunneln.

Elektriska bussar, spårvagnar och trolleys
Dessa typer av elektriska fordon har vanligtvis en enmotor-design. De drar ström från lågspännings-DC-överspaningsledningar installerade längs vägen. Givet de relativt låga strömkraven består strömplockningsmekanismen ofta av en stav med en inringad hjul vid dess ände, eller två stavar kopplade med en kontaktbåge. Samlarsystemet är konstruerat för att vara mycket flexibelt, och det inkluderar en extra ledare för att underlätta retur av elektrisk ström, vilket säkerställer en stabil och kontinuerlig strömförsörjning för fordonets drift.

Spårvagnar är en typ av elektriskt drivet fordon som rör sig på räls och består vanligtvis av en enmotor-vagn. I vissa fall är två eller flera odra mottagarkistor anslutna för att öka passagerarförmågan. Deras strömplockningssystem är jämförbart med det för elektriska bussar. Notabelt är att returvägen för elektrisk ström kan etableras genom en av rälsen. Eftersom spårvagnar rör sig på fasta räls är deras banor längs vägen förutbestämda, vilket ger en pålitlig och konsekvent transporttjänst.

Elektriska trolleys används främst för transport av material inom gruvar och fabriker. Dessa fordon rör sig huvudsakligen på räls och delar många likheter med spårvagnar, med den huvudsakliga skillnaden liggande i deras fysiska form.

Viktiga egenskaper hos elektriska traktionsdriv

De viktigaste egenskaperna hos elektriska traktionsdriv beskrivs nedan

• Hög momentkrav: Traktionsdriv behöver generera betydande moment under start och accelerationsfas för att propellera det tunga massan av fordonet. Detta höga momentbehov säkerställer att tåget eller annat traktionsfordon kan övervinna trögheten och nå önskad hastighet effektivt.

• Enfasväxelström i AC-traktion: Av ekonomiska skäl används vanligtvis en enfas-strömförsörjning i växelströms (AC) traktionssystem. Detta val bidrar till att minska kostnader relaterade till infrastruktur, elproduktion och distribution, vilket gör den totala operationen mer ekonomiskt rimlig.

• Spänningsvariationer: Strömförsörjningen i elektriska traktionssystem upplever betydande spänningsvariationer. Dessa variationer är särskilt uttalade när lokomotivet rör sig från en strömförsörjningssektion till en annan, vilket ofta resulterar i tillfälliga avbrott. Sådana spänningsvariationer kan utmana den stabila drift av traktionsutrustningen och kräver noggrann design och styrstrategier för att mildra deras effekter.

• Harmoniska störningar: Både AC- och DC-traktionssystem inför harmoniker i strömkällan. Dessa harmoniker kan störa närliggande telefonledningar och signalsystem, vilket potentiellt kan orsaka störningar i kommunikations- och signalinfrastrukturen. Tillräckliga filtrering och mildrande åtgärder är nödvändiga för att minimera denna störning och säkerställa korrekt funktion av dessa kritiska tjänster.

• Bromssystem: Traktionsdriv använder huvudsakligen dynamisk broms, vilket omvandlar det kinetiska energin i det rörliga fordonet till elektrisk energi, antingen dissiperas den som värme eller matas tillbaka till strömnätet. Dessutom används mekaniska bromsar när fordonet är stillastående för att ge tillförlitlig stopp- och hållbarhet, vilket säkerställer säkerhet i alla driftförhållanden.

Duty Cycle av elektriska traktionsdriv

Duty cycle för en elektrisk traktionsdriv kan effektivt förstås genom analys av hastighets-tidkurvor och effekt-moment-tid-diagram. Betrakta en traktionsdriv som opererar mellan två på varandra följande stationer på en plan spår. Vid starten accelererar tåget med det maximala möjliga momentet. Under denna accelerationsfas ökar strömförbrukningen av drivningen linjärt med ökande hastighet, vilket återspeglar energin som krävs för att övervinna trögheten och propellera fordonet framåt.

Vid tidpunkt t1 når traktionsdriv dess grundhastighet, och samtidigt uppnås det maximala tillåtna effekten. Efter detta fortsätter ytterligare acceleration under en konstant-effekt-villkor. När hastigheten fortsätter att öka under denna fas minskar både momentet och accelerationen gradvis.

Vid tidpunkt t2 blir drivmomentet lika med lastmomentet, vid vilken punkt en stabil hastighet uppnås. Accelerationsprocessen från 0 till t2 kan delas in i två distinkta etapper. Från 0 till t1 är accelerationen kännetecknad av konstant moment, där drivningen applicerar en konsekvent rotationskraft för att snabbt bygga upp hastighet. Sedan, från t1 till t2, sker accelerationen under en konstant-effekt-regim. Här, när hastigheten stiger, offrar drivningen moment för att bibehålla den fasta effekten, vilket resulterar i en minskande accelerationshastighet tills jämvikten med lastmomentet uppnås vid t2.

Mellan tidpunkt t2 och t3 håller tåget en konstant hastighet samtidigt som drivningen fungerar med en konstant drivkraft. Denna period kallas för fri-rullningsfasen. Under denna fas glider tåget smidigt längs spåret, med drivkraften exakt balanserad mot resistenskrafter, vilket säkerställer en konsekvent och effektiv rörelse.

När lämplig tid kommer vid tidpunkt t4 aktiveras bromssystemet. Denna åtgärd initierar en kontrollerad deaccelerationsprocess, som gradvis minskar tågets hastighet tills det slutligen stannar vid nästa station, redo att servera nästa part av passagerare eller transportera sitt gods till det avsedda målet.