Електричні тягові приводи

Визначення

Привід, який використовує електричну енергію для руху вперед, називається електричним тяговим приводом. Однією з основних застосувань електричного приводу є транспортування людей і вантажів з одного місця в інше. Тягові приводи переважно поділяються на два типи: однофазний AC тяговий привід і DC тяговий привід.

Електричні тягові послуги

Електричні тягові послуги можна загалом поділити на такі категорії:

• Електропоїзди

• Магістральні поїзди

• Пригородні поїзди

• Електробуси, трамваї та тролейбуси

• Транспортні засоби на батареях та сонячних батареях

Нижче надано детальне пояснення цих електричних тягових послуг.

Електропоїзди

Електропоїзди, які рухаються по фіксованим коліям, поділяються на магістральні поїзди та пригородні поїзди.

Магістральні поїзди
У цих поїздах енергія підводиться до двигуна одним з двох способів: або через верхню контактну мережу у електровозі, або через дизель-генераторну установку у дизель-електровозі.

У електровозі тяговий двигун розташований всередині локомотива. Верхня передавальна лінія встановлена поруч або над залізничним шляхом. На локомотиві монтується токовий збирач, оснащений провідною стрічкою. Ця провідна стрічка зсувається вздовж живильного проводника, підтримуючи електричний контакт між джерелом живлення та локомотивом. Живильний провідник часто називають контактною дротиною. Для забезпечення надійного з'єднання між токовим збирачем та живильним проводником використовуються котедзіра та опуски.

У високоскоростних поїздах використовується пантографний збирач. Його форма нагадує п'ятикутник, що дає йому назву. Збирач має провідну стрічку, яка тісно прижимається до контактної дротини за допомогою пружин. Зазвичай виготовлена з сталі, ця провідна стрічка грає ключову роль у підтримці постійного тиску між нею та контактною дротиною. Цей постійний тиск важливий для запобігання вертикальним коливанням, забезпечуючи стабільне та надійне електричне з'єднання при русі високоскоростного поїзда з великими швидкостями. Це стабільне з'єднання необхідне для безперервного живлення електричних систем поїзда, що дозволяє плавне та ефективне функціонування.

Однофазне живлення встановлено вздовж всього залізничного шляху. Електричний струм входить до локомотива через збирач. Потім він проходить через первинну обмотку понижаючого трансформатора та повертається до землі джерела живлення через колеса локомотива. Другорядна обмотка силового трансформатора забезпечує живлення модулятора потужності, який, в свою чергу, приводить в рух тяговий двигун. Крім того, другорядний вихід трансформатора живить допоміжне обладнання, таке як вентилятори охолодження та системи кондиціонування повітря.

Пригородні поїзди
Пригородні поїзди, також часто називаються міськими поїздами, призначені для коротких відрізків. Ці поїзди часто зупиняються на відносно невеликих відстанях. Для покращення характеристик прискорення та сповільнення пригородні поїзди включають моторизовані вагони. Ця конфігурація збільшує частку маси поїзда, яку несуть тягові колеса, відносно загальної маси поїзда.

Кожен моторизований вагон оснащений електричною тяговою системою та пантографним збирачем. Зазвичай, моторизовані та немоторизовані вагони використовуються в співвідношенні 1:2. Для високопотужних пригородних поїздів це співвідношення може бути збільшено до 1:1. Поїзди, складені з моторизованих та причепних вагонів, називаються електричними магістральними єдиною (EMU). Механізм живлення пригородних поїздів схожий на той, що використовується для магістральних поїздів, з однією відмінністю: підземні пригородні поїзди.

Підземні поїзди використовують систему живлення постійним струмом (DC). Цей вибір зумовлений тим, що системи живлення постійним струмом потребують меншої відстані між живильним проводником та корпусом поїзда. Крім того, системи постійного струму спрощують конструкцію модулятора потужності, зменшуючи його складність та вартість. На відміну від наземних поїздів, підземні поїзди не використовують верхні передавальні лінії. Замість цього, живлення здійснюється або через бігові рейки, або від провідників, встановлених на одному боці тунелю.

Електробуси, трамваї та тролейбуси
Ці типи електричних транспортних засобів зазвичай мають конструкцію з одним моторизованим вагоном. Вони отримують енергію від низьковольтових DC верхніх передавальних ліній, встановлених поруч з дорогою. враховуючи відносно невеликі вимоги до струму, механізм збирання струму часто складається з прута з канавковим колесом на кінці або двох прутів, з'єднаних контактним луком. Система збирача проектується дуже гнучкою, і вона включає додатковий провідник для забезпечення повернення електричного струму, що забезпечує стабільне та постійне живлення для роботи транспортного засобу.

Трамваї — це тип електричного транспортного засобу, який рухається по рейках і зазвичай складається з одного моторизованого вагона. В деяких випадках, для збільшення пасажиропідйомністі, до них прикріплюються два або більше незалежних причепних вагонів. Їх система збирання струму схожа на систему електробусів. Зауважимо, що шлях повернення електричного струму може бути організований через одну з рейок. Оскільки трамваї рухаються по фіксованим рейках, їх маршрути по дорозі визначені, що забезпечує надійну та стабільну транспортну послугу.

Електричні тролейбуси використовуються переважно для транспортування матеріалів у рудниках та заводів. Ці транспортні засоби переважно рухаються по рейках і мають багато спільного з трамваями, з основною відмінністю у формі.

Важливі характеристики електричних тягових приводів

Основні характеристики електричних тягових приводів розглянуті нижче

• Високі вимоги до моменту: Тягові приводи повинні генерувати значний момент під час запуску та прискорення, щоб переміщати важку масу транспортного засобу. Ці високі вимоги до моменту забезпечують, що поїзд або інший тяговий транспорт може перебороти інерцію та досягти бажаної швидкості ефективно.

• Однофазне AC живлення в AC тягових системах: З економічних причин, однофазне живлення часто використовується в системах змінного струму (AC) для тяги. Цей вибір допомагає знизити витрати, пов'язані з інфраструктурою, генерацією та розподілом електроенергії, роблячи загальний процес більш фінансово вигідним.

• Флуктуації напруги: У електричних тягових системах спостерігаються значні флуктуації напруги. Ці флуктуації особливо помітні, коли локомотив переходить з одного секції живлення на іншу, що часто призводить до тимчасових перерв. Такі зміни напруги можуть створювати проблеми для стабільної роботи тягового обладнання та вимагають ретельного проектування та стратегій керування для зниження їх впливу.

• Гармонічні перешкоди: Як AC, так і DC тягові системи вводять гармоніки в джерело живлення. Ці гармоніки можуть заважати роботі близьких телефонних ліній та систем сигналізації, потенційно призводячи до перешкод у комунікаційній та сигнальній інфраструктурі. Адекватні фільтрація та засоби зниження цих перешкод є важливими для забезпечення правильного функціонування цих критичних послуг.

• Системи гальмування: Тягові приводи переважно використовують динамічне гальмування, яке перетворює кінетичну енергію рухомого транспортного засобу на електричну енергію, яка або розсіюється як тепло, або повертається назад в електричну мережу. Крім того, механічні гальма використовуються, коли транспортний засіб знаходиться в стані спокою, щоб забезпечити надійне зупинення та утримання, забезпечуючи безпеку у всіх умовах роботи.

Цикл роботи електричних тягових приводів

Цикл роботи електричного тягового привода можна ефективно зрозуміти через аналіз графіків швидкості-часу та діаграм потужності-моменту-часу. Розглянемо тяговий привід, який працює між двома послідовними станціями на рівній колії. На початку поїзд прискорюється за допомогою максимально можливого моменту. Під час цього етапу прискорення, споживання енергії приводом зростає лінійно зі зростанням швидкості, відображаючи енергію, необхідну для подолання інерції та переміщення транспортного засобу вперед.

На часі t1, тяговий привід досягає своєї базової швидкості, і водночас, досягається максимальна допустима потужність. Після цього, подальше прискорення відбувається при постійній потужності. Під час цього етапу, з ростом швидкості, як момент, так і прискорення поступово зменшуються.

На часі t2, момент приводу стає рівним моменту навантаження, на якому досягається стабільна швидкість. Процес прискорення від 0 до t2 можна розділити на два окремі етапи. Від 0 до t1, прискорення характеризується постійним моментом, коли привід застосовує постійну обертальну силу для швидкого набору швидкості. Потім, від t1 до t2, прискорення відбувається при постійній потужності. При цьому, з ростом швидкості, привід жертвуватиме моментом, щоб утримати фіксовану потужність, що призведе до зменшення швидкості прискорення до моменту, коли буде досягнуто рівноваги з моментом навантаження на t2.

Між часом t2 і t3, поїзд зберігає постійну швидкість, працюючи при стабільній потужності приводу. Цей період називається фазою вільного руху. Під час цього етапу, поїзд плавно рухається по колії, з точним балансом між привідною силою та опорними силами, забезпечуючи стабільний та ефективний рух.

Коли настає відповідний момент на часі t4, активується система гальмування. Ця дія започаткує контролюваний процес сповільнення, поступово зменшуючи швидкість поїзда, поки він не зупиниться на наступній станції, готовий обслужити наступну партію пасажирів або транспортувати вантаж до призначеного пункту.