ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

คำนิยาม

ระบบขับเคลื่อนที่ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนไปข้างหน้าเรียกว่าระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (electric traction drive) หนึ่งในการใช้งานหลักของระบบขับเคลื่อนคือการขนส่งผู้คนและสินค้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ระบบขับเคลื่อนสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับแบบเฟสเดียว (single-phase AC traction drive) และระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (DC traction drive)

บริการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

บริการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นหมวดหมู่ต่างๆ ดังนี้:

• รถไฟไฟฟ้า

• รถไฟสายหลัก

• รถไฟชานเมือง

• รถบัสไฟฟ้า รถราง และรถรางไฟฟ้า

• ยานพาหนะที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และพลังงานแสงอาทิตย์

รายละเอียดของการให้บริการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าเหล่านี้มีดังนี้

รถไฟไฟฟ้า

รถไฟไฟฟ้าที่วิ่งบนรางรถไฟถูกแบ่งย่อยออกเป็นรถไฟสายหลักและรถไฟชานเมือง

รถไฟสายหลัก
ในรถไฟเหล่านี้ การจ่ายกำลังเข้าสู่มอเตอร์จะทำได้สองวิธี คือ จากสายไฟเหนือศีรษะในรถไฟไฟฟ้าหรือผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลในรถไฟดีเซล

ในรถไฟไฟฟ้า มอเตอร์ขับเคลื่อนจะติดตั้งอยู่ภายในตัวรถหัวจักร สายส่งไฟฟ้าจะติดตั้งไว้ข้างหรือเหนือรางรถไฟ ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าที่มีแถบนำไฟฟ้าจะติดตั้งบนรถหัวจักร แถบนำไฟฟ้านี้จะเลื่อนตามสายส่งไฟฟ้า ทำให้มีการติดต่อทางไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายไฟฟ้าและรถหัวจักร สายส่งไฟฟ้านี้เรียกว่าสายส่งไฟฟ้า (contact wire) เพื่อให้การติดต่อระหว่างตัวเก็บกระแสไฟฟ้าและสายส่งไฟฟ้ามีความเชื่อมโยงที่เชื่อถือได้ จึงใช้สาย catenary และสาย dropper

ในรถไฟความเร็วสูง จะใช้ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบบ panograph ซึ่งมีรูปร่างคล้ายรูปห้าเหลี่ยม ออกแบบมาเพื่อให้ชื่อเฉพาะนี้ ตัวเก็บกระแสไฟฟ้ามีแถบนำไฟฟ้าที่กดแน่นติดกับสายส่งไฟฟ้าโดยใช้สปริง โดยปกติแล้วแถบนำไฟฟ้าจะผลิตจากเหล็ก และมีบทบาทสำคัญในการรักษาแรงกดระหว่างตัวเองกับสายส่งไฟฟ้า แรงกดนี้มีความจำเป็นเพื่อป้องกันการแกว่งตัวแนวตั้ง ทำให้มีการติดต่อทางไฟฟ้าที่มั่นคงและเชื่อถือได้ขณะที่รถไฟความเร็วสูงวิ่งด้วยความเร็วสูง การติดต่อที่มั่นคงนี้มีความสำคัญสำหรับการจ่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องไปยังระบบไฟฟ้าของรถไฟ ทำให้การดำเนินงานราบรื่นและมีประสิทธิภาพ

ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวจะติดตั้งตลอดเส้นทางรถไฟ กระแสไฟฟ้าจะเข้าสู่รถหัวจักรผ่านตัวเก็บกระแสไฟฟ้า แล้วผ่านขดลวดหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าและกลับสู่พื้นผิวโลกผ่านล้อรถหัวจักร ขดลวดรองของหม้อแปลงไฟฟ้าจะจ่ายไฟฟ้าให้กับโมดูลควบคุมกำลัง ซึ่งจะขับเคลื่อนมอเตอร์ขับเคลื่อน นอกจากนี้ ไฟฟ้าที่ออกจากขดลวดรองยังจ่ายให้กับอุปกรณ์เสริม เช่น พัดลมทำความเย็นและระบบปรับอากาศ

รถไฟชานเมือง
รถไฟชานเมือง หรือรถไฟท้องถิ่น ออกแบบมาสำหรับการเดินทางระยะสั้น รถไฟเหล่านี้หยุดบ่อยครั้งที่สถานีที่อยู่ใกล้กัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเร่งและชะลอความเร็ว รถไฟชานเมืองมีรถโค้ชที่มีมอเตอร์ขับเคลื่อน ซึ่งทำให้น้ำหนักของรถไฟที่ถูกแบกรับโดยล้อขับเคลื่อนมากขึ้นเทียบกับน้ำหนักรถไฟทั้งหมด

แต่ละรถโค้ชมอเตอร์มีระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าและตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบบ panograph โดยทั่วไปแล้ว จะใช้รถโค้ชมอเตอร์และรถโค้ชไม่มีมอเตอร์ในอัตราส่วน 1:2 สำหรับรถไฟชานเมืองกำลังสูง อัตราส่วนนี้อาจเพิ่มขึ้นเป็น 1:1 รถไฟที่ประกอบด้วยรถโค้ชมอเตอร์และรถโค้ชไม่มีมอเตอร์เรียกว่ารถไฟ EMU (Electrical Multiple Unit) ระบบจ่ายไฟฟ้าสำหรับรถไฟชานเมืองคล้ายคลึงกับรถไฟสายหลัก ยกเว้นรถไฟใต้ดิน

รถไฟใต้ดินใช้ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง เนื่องจากระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงต้องการระยะห่างระหว่างสายส่งไฟฟ้าและตัวรถไฟน้อยกว่า นอกจากนี้ ระบบกระแสตรงยังทำให้การออกแบบโมดูลควบคุมกำลังง่ายขึ้น ลดความซับซ้อนและค่าใช้จ่าย แตกต่างจากรถไฟบนพื้นผิว รถไฟใต้ดินไม่ใช้สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะ แต่ใช้รางวิ่งหรือสายส่งไฟฟ้าที่ติดตั้งบนฝั่งหนึ่งของอุโมงค์แทน

รถบัสไฟฟ้า รถราง และรถรางไฟฟ้า
ยานพาหนะไฟฟ้าเหล่านี้มักมีการออกแบบรถโค้ชขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เดียว พวกเขาได้รับพลังงานจากสายไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำที่ติดตั้งข้างถนน เนื่องจากความต้องการกระแสไฟฟ้าที่ต่ำ การเก็บกระแสไฟฟ้ามักจะทำโดยใช้แท่งที่มีล้อที่ปลายหรือสองแท่งที่เชื่อมต่อกันด้วยส่วนติดต่อ ระบบเก็บกระแสไฟฟ้าถูกออกแบบให้มีความยืดหยุ่นสูง และรวมถึงสายนำไฟฟ้าเพิ่มเติมเพื่อให้การส่งกระแสไฟฟ้ากลับ ทำให้มีการจ่ายไฟฟ้าที่มั่นคงและต่อเนื่องสำหรับการทำงานของยานพาหนะ

รถรางเป็นยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและวิ่งบนราง โดยทั่วไปมีรถโค้ชมอเตอร์เดียว ในบางกรณี รถโค้ชไม่มีมอเตอร์สองคันหรือมากกว่าจะถูกต่อเข้าเพื่อเพิ่มความจุผู้โดยสาร ระบบเก็บกระแสไฟฟ้าของรถรางคล้ายคลึงกับรถบัสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ทางกลับของกระแสไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นผ่านทางรางหนึ่ง รถรางวิ่งบนรางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ทำให้การเดินทางมีความเชื่อถือได้และสม่ำเสมอ

รถรางไฟฟ้ามักใช้สำหรับการขนส่งวัสดุในเหมืองและโรงงาน ยานพาหนะเหล่านี้วิ่งบนรางและมีลักษณะคล้ายกับรถราง แต่แตกต่างกันที่รูปร่าง

คุณสมบัติสำคัญของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

คุณสมบัติสำคัญของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ามีดังนี้

• ความต้องการแรงบิดสูง: ระบบขับเคลื่อนต้องสร้างแรงบิดสูงในระยะเริ่มต้นและการเร่งความเร็วเพื่อขับเคลื่อนมวลของยานพาหนะที่หนัก ความต้องการแรงบิดสูงนี้ทำให้รถไฟหรือยานพาหนะอื่น ๆ สามารถ客服似乎在处理过程中被意外截断了。根据您的要求，我会继续完成翻译内容： ```html

• ความต้องการแรงบิดสูง: ระบบขับเคลื่อนต้องสร้างแรงบิดสูงในระยะเริ่มต้นและการเร่งความเร็วเพื่อขับเคลื่อนมวลของยานพาหนะที่หนัก ความต้องการแรงบิดสูงนี้ทำให้รถไฟหรือยานพาหนะอื่น ๆ สามารถเอาชนะแรงเฉื่อยและบรรลุความเร็วที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว: ด้วยเหตุผลทางเศรษฐกิจ ระบบจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวมักถูกนำมาใช้ในระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างพื้นฐาน การผลิตและการกระจายไฟฟ้า ทำให้การดำเนินงานโดยรวมมีความคุ้มค่าทางการเงินมากขึ้น

• การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า: ระบบจ่ายไฟฟ้าในระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อรถหัวจักรเคลื่อนย้ายจากส่วนจ่ายไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่ง ทำให้เกิดการขาดแคลนไฟฟ้าชั่วขณะ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้อาจเป็นปัญหาต่อการดำเนินงานที่มั่นคงของอุปกรณ์ขับเคลื่อน และต้องมีการออกแบบและกลยุทธ์การควบคุมที่เหมาะสมเพื่อลดผลกระทบ

• การรบกวนฮาร์โมนิก: ทั้งระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรงจะส่งฮาร์โมนิกเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟฟ้า ฮาร์โมนิกเหล่านี้อาจรบกวนสายโทรศัพท์และระบบสัญญาณ ทำให้เกิดการขัดขวางการสื่อสารและโครงสร้างพื้นฐานด้านสัญญาณ การกรองและมาตรการลดผลกระทบที่เหมาะสมมีความจำเป็นเพื่อลดการรบกวนและรับประกันการทำงานที่เหมาะสมของบริการสำคัญเหล่านี้

• ระบบเบรก: ระบบขับเคลื่อนส่วนใหญ่ใช้ระบบเบรกแบบไดนามิก ซึ่งแปลงพลังงานจลน์ของยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่เป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งอาจถูกสลายเป็นความร้อนหรือส่งกลับสู่ระบบไฟฟ้า นอกจากนี้ ยังใช้ระบบเบรกกลไกเมื่อยานพาหนะอยู่นิ่ง เพื่อให้การหยุดและยึดมั่นเชื่อถือได้ ทำให้มั่นใจในความปลอดภัยในการปฏิบัติงานทุกสภาพ

วงจรการทำงานของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

วงจรการทำงานของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าสามารถเข้าใจได้ผ่านการวิเคราะห์เส้นโค้งความเร็ว-เวลาและแผนภูมิกำลัง-แรงบิด-เวลา ลองพิจารณาระบบขับเคลื่อนที่ทำงานระหว่างสถานีต่อเนื่องสองสถานีบนทางรถไฟที่ราบ เมื่อเริ่มต้น รถไฟจะเร่งความเร็วด้วยแรงบิดสูงสุดที่สามารถทำได้ ในระหว่างระยะเร่งความเร็ว การใช้กำลังของระบบขับเคลื่อนจะเพิ่มขึ้นเชิงเส้นกับความเร็วที่เพิ่มขึ้น สะท้อนพลังงานที่ต้องการเพื่อเอาชนะแรงเฉื่อยและขับเคลื่อนยานพาหนะไปข้างหน้า

เมื่อเวลา t1 ระบบขับเคลื่อนถึงความเร็วฐาน และพร้อมกันนั้น กำลังสูงสุดที่อนุญาตถึงระดับสูงสุด หลังจากนั้น การเร่งความเร็วจะดำเนินต่อไปภายใต้ภาวะกำลังคงที่ เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นในระยะนี้ แรงบิดและอัตราเร่งจะค่อยๆ ลดลง

เมื่อเวลา t2 แรงบิดของระบบขับเคลื่อนเท่ากับแรงบิดภาระ ซึ่งทำให้ความเร็วคงที่ การเร่งความเร็วจาก 0 ถึง t2 สามารถแบ่งออกเป็นสองระยะ ตั้งแต่ 0 ถึง t1 การเร่งความเร็วมีลักษณะของแรงบิดคงที่ ซึ่งระบบขับเคลื่อนใช้แรงบิดหมุนที่คงที่เพื่อสร้างความเร็วอย่างรวดเร็ว ตั้งแต่ t1 ถึง t2 การเร่งความเร็วดำเนินภายใต้ภาวะกำลังคงที่ ที่ความเร็วเพิ่มขึ้น ระบบขับเคลื่อนลดแรงบิดเพื่อรักษากำลังคงที่ ทำให้อัตราเร่งลดลงจนกระทั่งความสมดุลกับแรงบิดภาระที่ t2

ระหว่างเวลา t2 และ t3 รถไฟจะรักษาความเร็วคงที่ขณะที่ระบบขับเคลื่อนทำงานด้วยกำลังคงที่ ระยะนี้เรียกว่าระยะวิ่งฟรี ระหว่างระยะนี้ รถไฟจะวิ่งอย่างราบรื่นบนทางรถไฟ ด้วยแรงขับที่เท่ากับแรงต้านทาน ทำให้การเคลื่อนที่มีความคงที่และมีประสิทธิภาพ

เมื่อถึงเวลาที่เหมาะสมที่ t4 ระบบเบรกจะถูกเปิดใช้งาน ทำให้เกิดกระบวนการชะลอความเร็วอย่างควบคุม ลดความเร็วของรถไฟลงอย่างค่อยๆ จนกระทั่งหยุดที่สถานีถัดไป พร้อมที่จะให้บริการผู้โดยสารกลุ่มต่อไปหรือขนส่งสินค้าไปยังจุดหมายปลายทางที่ต้องการ