Πώς παίρνουν ενέργεια οι αστικές και υπεραστικές ηλεκτρικές μεταφορές;

Οι αστικές και υπεραστικές ηλεκτρικές μεταφορές έχουν γίνει γνώριμα χαρακτηριστικά της καθημερινής ζωής για τον σύγχρονο άνθρωπο. Έχουμε σταματήσει εδώ και καιρό να σκεφτόμαστε πώς αυτό το μεταφορικό μέσο παίρνει την τροφή του. Όλοι γνωρίζουν ότι τα αυτοκίνητα γεμίζουν με βενζίνη, τα ποδήλατα κάνουν πετάλι από ποδηλάτες. Πώς τροφοδοτούνται, όμως, οι ηλεκτρικοί τύποι μεταφοράς επιβατών: τραμ, τρόλεϊ, σιδηροδρομικά τρένα, μετρό, ηλεκτρικά τρένα, ηλεκτρικές ατμομηχανές; Πού και πώς τους παρέχεται η κινητήρια ενέργεια; Ας το συζητήσουμε.

Τραμ

Τα παλιά χρόνια, κάθε νέα οικονομία του τραμ αναγκαζόταν να έχει τον δικό της σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, καθώς τα δημόσια δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας δεν είχαν ακόμη αναπτυχθεί επαρκώς. Στον 21ο αιώνα, η ισχύς για το δίκτυο του τραμ παρέχεται από δίκτυα γενικής χρήσης.

Η ισχύς παρέχεται από συνεχές ρεύμα σχετικά χαμηλής τάσης (550 V), το οποίο θα ήταν απλώς αντιοικονομικό για μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις.Για το λόγο αυτό, οι υποσταθμοί έλξης βρίσκονται κοντά στις γραμμές του τραμ, όπου το εναλλασσόμενο ρεύμα από το δίκτυο υψηλής τάσης μετατρέπεται σε συνεχές ρεύμα (με τάση 600 V) για το δίκτυο επαφής του τραμ. Σε πόλεις όπου λειτουργούν τόσο τα τραμ όσο και τα τρόλεϊ, αυτοί οι τρόποι μεταφοράς έχουν γενικά μια συνολική εξοικονόμηση ενέργειας.

Στην επικράτεια της πρώην Σοβιετικής Ένωσης, υπάρχουν δύο συστήματα τροφοδοσίας εναέριων γραμμών για τραμ και τρόλεϊ: κεντρική και αποκεντρωμένη. Πρώτα ήρθε το συγκεντρωτικό. Σε αυτό, μεγάλοι υποσταθμοί έλξης εξοπλισμένοι με πολλές μονάδες μετατροπής εξυπηρετούσαν όλες τις γειτονικές γραμμές ή γραμμές που βρίσκονται σε απόσταση έως και 2 χιλιομέτρων από αυτές. Υποσταθμοί αυτού του τύπου βρίσκονται σήμερα σε περιοχές με μεγάλη πυκνότητα διαδρομών τραμ (τρόλεϊ).

Το αποκεντρωμένο σύστημα άρχισε να διαμορφώνεται μετά τη δεκαετία του '60, όταν άρχισαν να εμφανίζονται γραμμές τραμ, τρόλεϊ, μετρό, για παράδειγμα, από το κέντρο της πόλης κατά μήκος του αυτοκινητόδρομου, σε μια απομακρυσμένη περιοχή της πόλης κ.λπ.

Εδώ, εγκαθίστανται υποσταθμοί έλξης χαμηλής ισχύος με μία ή δύο μονάδες μετατροπέα ικανές να τροφοδοτούν το πολύ δύο τμήματα της γραμμής κάθε 1-2 χιλιόμετρα της γραμμής, με κάθε τελικό τμήμα να μπορεί να τροφοδοτείται από έναν παρακείμενο υποσταθμό.

Έτσι, οι απώλειες ενέργειας είναι μικρότερες, καθώς τα τμήματα ισχύος είναι μικρότερα. Επίσης, εάν παρουσιαστεί σφάλμα σε έναν από τους υποσταθμούς, το τμήμα γραμμής θα παραμείνει ενεργοποιημένο από τον παρακείμενο υποσταθμό.

Η επαφή του τραμ με τη γραμμή DC γίνεται μέσω παντογράφου στην οροφή του αυτοκινήτου του. Αυτό μπορεί να είναι παντογράφος, ημι-παντογράφος, ράβδος ή τόξο. Το εναέριο καλώδιο της γραμμής του τραμ είναι συνήθως πιο εύκολο να κρεμαστεί από τη ράγα.Εάν χρησιμοποιείται μπούμα, οι διακόπτες αέρα είναι διατεταγμένοι σαν μπούμα τρόλεϊ. Η ροή του ρεύματος είναι συνήθως μέσω των σιδηροτροχιών προς το έδαφος.

Τρόλεϊ

Σε ένα τρόλεϊ, το δίκτυο επαφής χωρίζεται από μονωτήρες τομής σε μεμονωμένα τμήματα, καθένα από τα οποία συνδέεται με τον υποσταθμό έλξης μέσω γραμμών τροφοδοσίας (εναέρια ή υπόγεια). Αυτό επιτρέπει εύκολα την απενεργοποίηση μεμονωμένων τμημάτων για επισκευή σε περίπτωση βλάβης. Εάν παρουσιαστεί σφάλμα με το καλώδιο τροφοδοσίας, μπορείτε να εγκαταστήσετε βραχυκυκλωτήρες στους μονωτές για να τροφοδοτήσετε το επηρεαζόμενο τμήμα από το διπλανό (αλλά αυτό είναι μη κανονική λειτουργία που σχετίζεται με τον κίνδυνο υπερφόρτωσης τροφοδοσίας).

Ο υποσταθμός έλξης μειώνει το εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής τάσης από 6 σε 10 kV και το μετατρέπει σε συνεχές ρεύμα με τάση 600 βολτ. Η πτώση τάσης σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου, σύμφωνα με τα πρότυπα, δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 15%.

Το δίκτυο επαφής του τρόλεϊ διαφέρει από αυτό του τραμ. Εδώ είναι δύο καλωδίων, η γείωση δεν χρησιμοποιείται για την αποστράγγιση του ρεύματος, επομένως αυτό το δίκτυο είναι πιο περίπλοκο. Οι αγωγοί βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, γι' αυτό απαιτείται ιδιαίτερα προσεκτική προστασία από την προσέγγιση και το βραχυκύκλωμα, καθώς και μόνωση στις διασταυρώσεις των δικτύων τρόλεϊ μεταξύ τους και με τα δίκτυα τραμ.

Ως εκ τούτου, τοποθετούνται ειδικά μέσα σε διασταυρώσεις, καθώς και βέλη στα σημεία διασταύρωσης. Επιπλέον, διατηρείται κάποια ρυθμιζόμενη τάση, η οποία αποτρέπει την επικάλυψη των καλωδίων στον άνεμο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ράβδοι χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των τρόλεϊ — άλλες συσκευές απλώς δεν επιτρέπουν την εκπλήρωση όλων αυτών των απαιτήσεων.

Οι βραχίονες τρόλεϊ είναι ευαίσθητοι στην ποιότητα του αλυσοειδούς, καθώς οποιοδήποτε ελάττωμα σε αυτό μπορεί να οδηγήσει σε άλμα μπούμας. Υπάρχουν κανόνες σύμφωνα με τους οποίους η γωνία θραύσης στο σημείο στερέωσης της ράβδου δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 4 ° και όταν περιστρέφεται υπό γωνία μεγαλύτερη από 12 °, τοποθετούνται καμπύλες βάσεις. Το συρόμενο παπούτσι τρέχει πάνω στο σύρμα και δεν μπορεί να περιστραφεί με το τρόλεϊ, επομένως χρειάζονται βέλη εδώ.

Μονόδρομο

Τα τρένα Monorail λειτουργούν πρόσφατα σε πολλές πόλεις σε όλο τον κόσμο: Λας Βέγκας, Μόσχα, Τορόντο κ.λπ. Μπορούν να βρεθούν σε πάρκα αναψυχής, ζωολογικούς κήπους, μονόδρομοι χρησιμοποιούνται για τοπικά αξιοθέατα και, φυσικά, για αστικές και προαστιακές επικοινωνίες.

Οι τροχοί τέτοιων τρένων δεν είναι καθόλου χυτοσίδηρος, αλλά χυτοσίδηρος. Οι τροχοί απλώς οδηγούν το αμαξοστοιχία μονοσιδηροτροχιάς κατά μήκος μιας τσιμεντένιας δοκού—τις ράγες στις οποίες βρίσκονται η τροχιά και οι γραμμές (η ράγα επαφής) του τροφοδοτικού.

Ορισμένοι μονότροχοι έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να τοποθετούνται στην κορυφή μιας ράγας, παρόμοια με το πώς κάθεται ένα άτομο πάνω από ένα άλογο. Μερικοί μονότροχοι κρέμονται από μια δοκό κάτω, που μοιάζουν με ένα γιγάντιο φανάρι σε έναν στύλο. Φυσικά, οι monorail είναι πιο συμπαγείς από τους συμβατικούς σιδηροδρόμους, αλλά είναι πιο ακριβοί στην κατασκευή τους.

Ορισμένοι μονότροχοι δεν έχουν μόνο τροχούς, αλλά και πρόσθετη στήριξη που βασίζεται σε μαγνητικό πεδίο. Ο μονόδρομος της Μόσχας, για παράδειγμα, κινείται ακριβώς πάνω σε ένα μαγνητικό μαξιλάρι που δημιουργείται από ηλεκτρομαγνήτες. Στο τροχαίο υλικό υπάρχουν ηλεκτρομαγνήτες και στον καμβά της δέσμης οδήγησης υπάρχουν μόνιμοι μαγνήτες.

Ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος στους ηλεκτρομαγνήτες του κινούμενου τμήματος, η αμαξοστοιχία μονόδρομων κινείται προς τα εμπρός ή προς τα πίσω σύμφωνα με την αρχή της απώθησης των μαγνητικών πόλων με το ίδιο όνομα - έτσι λειτουργεί ο γραμμικός ηλεκτροκινητήρας.

Εκτός από τους ελαστικούς τροχούς, το τρένο monorail διαθέτει επίσης μια ράγα επαφής που αποτελείται από τρία στοιχεία μεταφοράς ρεύματος: συν, μείον και γείωση. Η τάση τροφοδοσίας του γραμμικού κινητήρα monorail είναι σταθερή, ίση με 600 volt.

Υπόγειος

Τα ηλεκτρικά τρένα του μετρό λαμβάνουν την ηλεκτρική τους ενέργεια από το δίκτυο συνεχούς ρεύματος - κατά κανόνα, από την τρίτη σιδηροδρομική γραμμή (επαφής), η τάση της οποίας είναι 750-900 βολτ. Το συνεχές ρεύμα λαμβάνεται στους υποσταθμούς από εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιώντας ανορθωτές.

Η επαφή της αμαξοστοιχίας με τη ράγα επαφής γίνεται μέσω ενός κινητού συλλέκτη ρεύματος. Το λεωφορείο επαφής βρίσκεται στα δεξιά των γραμμών. Ο συλλέκτης ρεύματος (ο λεγόμενος «Παντογράφος») βρίσκεται στο φορείο του βαγονιού και πιέζεται στον δίαυλο επαφής από κάτω. Το συν είναι στη ράγα επαφής, το μείον είναι στις γραμμές του τρένου.

Εκτός από το ρεύμα ισχύος, ένα ασθενές ρεύμα «σήματος» ρέει κατά μήκος των σιδηροτροχιών, το οποίο είναι απαραίτητο για το μπλοκάρισμα και την αυτόματη ενεργοποίηση των φωτεινών σηματοδοτών. Οι γραμμές μεταδίδουν επίσης πληροφορίες στην καμπίνα του οδηγού σχετικά με τα σήματα κυκλοφορίας και την επιτρεπόμενη ταχύτητα του τρένου του μετρό σε αυτό το τμήμα.

Ηλεκτρική ατμομηχανή

Μια ηλεκτρική ατμομηχανή είναι μια ατμομηχανή που τροφοδοτείται από έναν κινητήρα έλξης. Ο κινητήρας της ηλεκτρικής ατμομηχανής λαμβάνει ισχύ από τον υποσταθμό έλξης μέσω του δικτύου επαφής.

Το ηλεκτρικό μέρος μιας ηλεκτρικής ατμομηχανής περιέχει γενικά όχι μόνο κινητήρες έλξης, αλλά και μετατροπείς τάσης, καθώς και συσκευές που συνδέουν κινητήρες στο δίκτυο κ.λπ. Ο τρέχων εξοπλισμός μιας ηλεκτρικής ατμομηχανής βρίσκεται στην οροφή ή στα καλύμματά της και έχει σχεδιαστεί για τη σύνδεση του ηλεκτρικού εξοπλισμού με το δίκτυο επαφής.

Η συλλογή του ρεύματος από την εναέρια γραμμή παρέχεται από παντογράφους στην οροφή, μετά την οποία το ρεύμα τροφοδοτείται μέσω των ράβδων και των δακτυλίων στις ηλεκτρικές συσκευές. Στην οροφή της ηλεκτρικής ατμομηχανής υπάρχουν επίσης συσκευές μεταγωγής: διακόπτες αέρα, διακόπτες για τύπους ρεύματος και αποζεύκτες για αποσύνδεση από το δίκτυο σε περίπτωση δυσλειτουργίας παντογράφου. Μέσω των λεωφορείων, το ρεύμα διοχετεύεται στην κύρια είσοδο, στις συσκευές μετατροπής και ρύθμισης, στους κινητήρες έλξης και άλλες μηχανές, στη συνέχεια στα κομμάτια των τροχών και μέσω αυτών στις ράγες, στο έδαφος.

Η ρύθμιση της ελκτικής δύναμης και της ταχύτητας της ηλεκτρικής ατμομηχανής επιτυγχάνεται με αλλαγή της τάσης στον οπλισμό του κινητήρα και με αλλαγή του συντελεστή διέγερσης των κινητήρων συλλέκτη ή με ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης του ρεύματος τροφοδοσίας των ασύγχρονων κινητήρων.

Η ρύθμιση της τάσης γίνεται με διάφορους τρόπους. Αρχικά, σε μια ηλεκτρική ατμομηχανή συνεχούς ρεύματος, όλοι οι κινητήρες της συνδέονται σε σειρά και η τάση ενός κινητήρα σε μια ηλεκτρική ατμομηχανή οκτώ αξόνων είναι 375 V, με τάση αλυσοειδούς 3 kV.

Οι ομάδες κινητήρων έλξης μπορούν να αλλάξουν από σύνδεση σε σειρά — σε παράλληλη σειρά (2 ομάδες των 4 κινητήρων συνδεδεμένοι σε σειρά, τότε η τάση για κάθε κινητήρα είναι 750 V) ή σε παράλληλη (4 ομάδες των 2 κινητήρων συνδεδεμένοι σε σειρά, στη συνέχεια αυτή η τάση για έναν κινητήρα — 1500 V). Και για να ληφθούν ενδιάμεσες τάσεις των κινητήρων, προστίθενται ομάδες ρεοστατών στο κύκλωμα, γεγονός που καθιστά δυνατή τη ρύθμιση της τάσης σε βήματα των 40-60 V, αν και αυτό οδηγεί σε απώλεια μέρους της ηλεκτρικής ενέργειας στους ρεοστάτες στο μορφή θερμότητας.

Οι μετατροπείς ισχύος στο εσωτερικό της ηλεκτρικής ατμομηχανής είναι απαραίτητοι για την αλλαγή του τύπου ρεύματος και τη μείωση της τάσης αλυσοειδούς ρεύματος στις απαιτούμενες τιμές που πληρούν τις απαιτήσεις των κινητήρων έλξης, των βοηθητικών μηχανών και άλλων κυκλωμάτων της ηλεκτρικής ατμομηχανής. Η μετατροπή γίνεται απευθείας επί του σκάφους.

Στις ηλεκτρικές ατμομηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος, παρέχεται ένας μετασχηματιστής έλξης για τη μείωση της υψηλής τάσης εισόδου, καθώς και ένας ανορθωτής και αντιδραστήρες εξομάλυνσης για τη λήψη DC από το AC. Μπορούν να εγκατασταθούν στατικοί μετατροπείς τάσης και ρεύματος για την τροφοδοσία βοηθητικών μηχανών. Σε ηλεκτρικές ατμομηχανές με ασύγχρονη κίνηση και των δύο τύπων ρεύματος, χρησιμοποιούνται μετατροπείς έλξης, οι οποίοι μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα με ρυθμιζόμενη τάση και συχνότητα, το οποίο τροφοδοτείται στους κινητήρες έλξης.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ τρενο

Ένα ηλεκτρικό τρένο ή ηλεκτρικό τρένο στην κλασική μορφή λαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια με τη βοήθεια παντογράφων μέσω ενός καλωδίου επαφής ή μιας ράγας επαφής.Σε αντίθεση με μια ηλεκτρική ατμομηχανή, οι συλλέκτες των ηλεκτρικών τρένων βρίσκονται τόσο σε αυτοκίνητα όσο και σε ρυμουλκούμενα.

Εάν το ρεύμα παρέχεται στα ρυμουλκούμενα αυτοκίνητα, τότε το αυτοκίνητο τροφοδοτείται μέσω ειδικών καλωδίων. Ο συλλέκτης ρεύματος είναι συνήθως στην κορυφή, από το σύρμα επαφής, πραγματοποιείται από συλλέκτες με τη μορφή παντογράφων (παρόμοια με τις γραμμές του τραμ).

Συνήθως, η τρέχουσα συλλογή είναι μονοφασική, αλλά υπάρχει και τριφασική, όταν το ηλεκτρικό τρένο χρησιμοποιεί παντογράφους ειδικής σχεδίασης για ξεχωριστή επαφή με πολλά καλώδια ή ράγες επαφής (όταν πρόκειται για το μετρό).

Ο ηλεκτρικός εξοπλισμός του ηλεκτρικού τρένου εξαρτάται από τον τύπο του ρεύματος (υπάρχει συνεχές ρεύμα, εναλλασσόμενο ρεύμα ή ηλεκτρικές αμαξοστοιχίες δύο συστημάτων), τον τύπο των κινητήρων έλξης (συλλεκτικοί ή ασύγχρονοι), την παρουσία ή απουσία ηλεκτρικής πέδησης.

Κατ' αρχήν, ο ηλεκτρικός εξοπλισμός των ηλεκτρικών τρένων είναι παρόμοιος με τον ηλεκτρικό εξοπλισμό των ηλεκτρικών μηχανών. Ωστόσο, στα περισσότερα μοντέλα ηλεκτρικών τρένων, τοποθετείται κάτω από το αμάξωμα και στις οροφές των αυτοκινήτων για να αυξηθεί ο χώρος των επιβατών στο εσωτερικό. Οι αρχές οδήγησης κινητήρων ηλεκτρικών τρένων είναι περίπου οι ίδιες με τις ηλεκτρικές ατμομηχανές.