Động cơ điện kéo

Định nghĩa

Một động cơ sử dụng điện năng để di chuyển về phía trước được gọi là động cơ dẫn động điện. Một trong những ứng dụng chính của động cơ điện là vận chuyển người và hàng hóa từ nơi này sang nơi khác. Động cơ dẫn động chủ yếu được phân thành hai loại: động cơ dẫn động điện một pha AC và động cơ dẫn động điện DC.

Dịch vụ Dẫn động Điện

Dịch vụ dẫn động điện có thể được phân loại rộng rãi như sau:

• Tàu điện

• Tàu chính tuyến

• Tàu ngoại vi

• Xe buýt, xe điện và xe kéo điện

• Phương tiện chạy bằng pin và năng lượng mặt trời

Sau đây là giải thích chi tiết về các dịch vụ dẫn động điện này.

Tàu điện

Tàu điện chạy trên đường ray cố định được chia nhỏ hơn thành tàu chính tuyến và tàu ngoại vi.

Tàu chính tuyến
Trên các tàu này, điện được cung cấp cho động cơ theo một trong hai cách: hoặc từ đường dây trên cao trong đầu máy điện hoặc qua bộ phát điện diesel trong đầu máy diesel.

Trong đầu máy điện, động cơ lái được đặt bên trong đầu máy. Đường dây truyền tải được lắp đặt dọc theo hoặc ở trên đường ray. Một thiết bị thu dòng, được trang bị thanh dẫn, được gắn trên đầu máy. Thanh dẫn này trượt dọc theo dây dẫn nguồn, do đó duy trì liên kết điện giữa nguồn điện và đầu máy. Dây dẫn nguồn thường được gọi là dây tiếp xúc. Để đảm bảo kết nối đáng tin cậy giữa thiết bị thu dòng và dây nguồn, cáp catenary và dây treo được sử dụng.

Trên tàu tốc hành, một thiết bị thu dòng dạng pan-to-grap được sử dụng. Hình dạng ngũ giác đặc biệt này đã tạo nên tên gọi của nó. Thiết bị thu dòng có thanh dẫn được ép chặt vào dây tiếp xúc bằng lò xo. Thường được chế tạo từ thép, thanh dẫn này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì áp lực liên tục giữa nó và dây tiếp xúc. Áp lực liên tục này rất cần thiết để ngăn chặn dao động dọc, đảm bảo kết nối điện ổn định và đáng tin cậy khi tàu tốc hành di chuyển với tốc độ nhanh. Kết nối ổn định này rất quan trọng để cung cấp điện không gián đoạn cho hệ thống điện của tàu, giúp hoạt động mượt mà và hiệu quả.

Nguồn điện một pha được lắp đặt dọc theo toàn bộ đường ray. Dòng điện đi vào đầu máy thông qua thiết bị thu dòng. Sau đó, nó đi qua cuộn sơ cấp của biến áp giảm áp và trở lại đất của nguồn điện thông qua bánh xe của đầu máy. Cuộn thứ cấp của biến áp cung cấp điện cho bộ điều chế điện, từ đó điều khiển động cơ dẫn động. Ngoài ra, nguồn điện thứ cấp của biến áp cũng cung cấp điện cho các thiết bị phụ trợ như quạt làm mát và hệ thống điều hòa không khí.

Tàu ngoại vi
Tàu ngoại vi, còn được gọi là tàu nội đô, được thiết kế cho các chuyến đi ngắn. Các tàu này dừng tại các điểm tương đối gần nhau. Để cải thiện hiệu suất tăng tốc và giảm tốc, tàu ngoại vi sử dụng toa xe có động cơ. Cấu hình này tăng tỷ lệ trọng lượng của tàu do các bánh dẫn chịu so với tổng trọng lượng của tàu.

Mỗi toa xe có động cơ được trang bị hệ thống dẫn động điện và thiết bị thu dòng dạng pan-to-grap. Thông thường, toa xe có động cơ và toa xe không có động cơ được sử dụng theo tỷ lệ 1:2. Đối với các tàu ngoại vi công suất cao, tỷ lệ này có thể tăng lên 1:1. Các tàu bao gồm toa xe có động cơ và toa xe kéo được gọi là tàu đa đơn vị điện (EMU). Cơ chế cung cấp điện cho tàu ngoại vi tương tự như tàu chính tuyến, với một ngoại lệ đáng chú ý: tàu ngoại vi ngầm.

Tàu ngầm sử dụng hệ thống cung cấp điện một chiều (DC). Sự lựa chọn này chủ yếu là do hệ thống cung cấp điện DC yêu cầu ít khoảng cách giữa dây dẫn điện và thân tàu. Hơn nữa, hệ thống DC đơn giản hóa thiết kế của bộ điều chế điện, giảm cả độ phức tạp và chi phí. Không giống như tàu trên mặt đất, tàu ngầm không sử dụng đường dây truyền tải trên cao. Thay vào đó, điện được cung cấp thông qua đường ray hoặc từ dây dẫn được lắp đặt bên cạnh hầm.

Xe buýt, xe điện và xe kéo điện
Các loại phương tiện điện này thường có thiết kế toa xe một động cơ. Chúng lấy điện từ đường dây DC thấp áp được lắp đặt dọc theo đường. Do nhu cầu dòng điện tương đối thấp, cơ chế thu dòng thường bao gồm một thanh có bánh rãnh ở cuối hoặc hai thanh được kết nối bởi một cung tiếp xúc. Hệ thống thu dòng được thiết kế rất linh hoạt và bao gồm một dây dẫn bổ sung để tạo đường hồi lưu dòng điện, đảm bảo nguồn điện ổn định và liên tục cho hoạt động của phương tiện.

Xe điện là loại phương tiện chạy bằng điện trên đường ray và thường bao gồm một toa xe có động cơ. Trong một số trường hợp, một hoặc nhiều toa xe kéo không có động cơ được gắn thêm để tăng sức chứa hành khách. Hệ thống thu dòng của chúng tương tự như của xe buýt điện. Đặc biệt, đường hồi lưu dòng điện có thể được thiết lập thông qua một trong các đường ray. Do xe điện chạy trên đường ray cố định, các tuyến đường của chúng trên đường phố được xác định trước, cung cấp dịch vụ vận chuyển đáng tin cậy và ổn định.

Xe kéo điện chủ yếu được sử dụng để vận chuyển vật liệu trong mỏ và nhà máy. Các phương tiện này chủ yếu chạy trên đường ray và có nhiều điểm tương đồng với xe điện, với sự khác biệt chính nằm ở hình dạng vật lý.

Đặc điểm Quan trọng của Động cơ Dẫn động Điện

Các đặc tính chính của động cơ dẫn động điện được trình bày dưới đây

• Yêu cầu Mô-men Lớn: Động cơ dẫn động cần tạo ra mô-men lớn trong giai đoạn khởi động và tăng tốc để đẩy khối lượng nặng của phương tiện. Yêu cầu mô-men lớn này đảm bảo rằng tàu hoặc phương tiện dẫn động khác có thể vượt qua quán tính và đạt được tốc độ mong muốn một cách hiệu quả.

• Nguồn Điện Một Pha trong Dẫn động AC: Để cân nhắc về kinh tế, nguồn điện một pha thường được sử dụng trong hệ thống dẫn động điện xoay chiều (AC). Sự lựa chọn này giúp giảm chi phí liên quan đến hạ tầng, phát điện và phân phối, làm cho hoạt động tổng thể trở nên tài chính khả thi hơn.

• Biến Động Điện Áp: Nguồn điện trong hệ thống dẫn động điện trải qua biến động điện áp đáng kể. Những biến động này đặc biệt rõ ràng khi đầu máy di chuyển từ phần nguồn này sang phần nguồn khác, thường gây ra sự gián đoạn tạm thời. Những biến động điện áp này có thể gây khó khăn cho hoạt động ổn định của thiết bị dẫn động và đòi hỏi thiết kế và chiến lược kiểm soát cẩn thận để giảm thiểu tác động của chúng.

• Can Thiệp Hài Âm: Cả hệ thống dẫn động AC và DC đều đưa hài âm vào nguồn điện. Những hài âm này có thể can thiệp vào các đường dây điện thoại và hệ thống tín hiệu gần đó, có thể gây ra sự gián đoạn cho cơ sở hạ tầng giao tiếp và tín hiệu. Các biện pháp lọc và giảm thiểu phù hợp là cần thiết để giảm thiểu sự can thiệp này và đảm bảo hoạt động đúng đắn của các dịch vụ quan trọng này.

• Hệ Thống Phanh: Động cơ dẫn động chủ yếu dựa vào phanh động, chuyển đổi năng lượng cineti của phương tiện di chuyển thành năng lượng điện, hoặc tiêu tán nó dưới dạng nhiệt hoặc phản hồi vào lưới điện. Ngoài ra, phanh cơ học được sử dụng khi phương tiện đứng yên để cung cấp khả năng dừng và giữ vững đáng tin cậy, đảm bảo an toàn trong mọi điều kiện hoạt động.

Chu kỳ Làm Việc của Động cơ Dẫn động Điện

Chu kỳ làm việc của động cơ dẫn động điện có thể được hiểu hiệu quả thông qua việc phân tích các đường cong tốc độ-thời gian và biểu đồ công suất-mô-men-thời gian. Xem xét một động cơ dẫn động hoạt động giữa hai ga liên tiếp trên đường ray phẳng. Khi bắt đầu, tàu tăng tốc bằng mô-men tối đa có thể. Trong giai đoạn tăng tốc này, công suất tiêu thụ của động cơ tăng tuyến tính theo tốc độ tăng, phản ánh năng lượng cần thiết để vượt qua quán tính và đẩy phương tiện về phía trước.

Tại thời điểm t1, động cơ dẫn động đạt tốc độ cơ bản và đồng thời đạt công suất tối đa cho phép. Sau đó, giai đoạn tăng tốc tiếp theo diễn ra dưới điều kiện công suất không đổi. Khi tốc độ tiếp tục tăng trong giai đoạn này, cả mô-men và gia tốc đều giảm dần.

Đến thời điểm t2, mô-men của động cơ bằng với mô-men tải, tại đó tốc độ ổn định được đạt được. Quá trình tăng tốc từ 0 đến t2 có thể được chia thành hai giai đoạn riêng biệt. Từ 0 đến t1, gia tốc được đặc trưng bởi mô-men không đổi, nơi động cơ áp dụng lực xoay liên tục để nhanh chóng xây dựng tốc độ. Sau đó, từ t1 đến t2, gia tốc diễn ra dưới chế độ công suất không đổi. Ở đây, khi tốc độ tăng, động cơ hy sinh mô-men để duy trì công suất đầu ra cố định, dẫn đến tốc độ gia tăng giảm dần cho đến khi đạt cân bằng với mô-men tải tại t2.

Giữa thời điểm t2 và t3, tàu duy trì tốc độ không đổi trong khi hoạt động với công suất dẫn động ổn định. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn chạy tự do. Trong giai đoạn này, tàu di chuyển mượt mà dọc theo đường ray, với lực đẩy chính xác cân bằng với lực cản, đảm bảo chuyển động ổn định và hiệu quả.

Khi thời điểm thích hợp đến tại t4, hệ thống phanh được kích hoạt. Hành động này bắt đầu quá trình giảm tốc điều khiển, từ từ giảm tốc độ của tàu cho đến khi nó dừng hẳn tại ga tiếp theo, sẵn sàng phục vụ lô hành khách hoặc vận chuyển hàng hóa đến đích mong muốn.