Ako získava mestská a medzimestská elektrická doprava energiu?
Mestská a medzimestská elektrická doprava sa stala pre moderného človeka známymi atribútmi každodenného života. Už dávno sme prestali myslieť na to, ako tento transport získava potravu. Každý vie, že autá sú naplnené benzínom, bicykle šliapu do pedálov cyklisti. Ako sú však napájané elektrické druhy osobnej dopravy: električky, trolejbusy, jednokoľajové vlaky, metro, elektrické vlaky, elektrické lokomotívy? Kde a ako sa im dodáva hnacia energia? Poďme sa o tom porozprávať.
Električka
Za starých čias bola každá nová električková ekonomika nútená mať svoju vlastnú elektráreň, keďže verejné rozvodné siete ešte neboli dostatočne rozvinuté. V 21. storočí sa energia pre električkovú sieť dodáva zo sietí na všeobecné použitie.
Napájanie je zabezpečené relatívne nízkonapäťovým jednosmerným prúdom (550 V), čo by bolo jednoducho neekonomické pre prenos na veľké vzdialenosti.Z tohto dôvodu sú v blízkosti električkových tratí umiestnené trakčné meniarne, kde sa striedavý prúd z vysokonapäťovej siete mení na jednosmerný (s napätím 600 V) pre električkovú kontaktnú sieť. V mestách, kde premávajú električky aj trolejbusy, majú tieto druhy dopravy vo všeobecnosti celkovú úsporu energie.
Na území bývalého Sovietskeho zväzu existujú dve schémy napájania nadzemných vedení pre električky a trolejbusy: centralizované a decentralizované. Najprv prišiel centralizovaný. V ňom obsluhovali veľké trakčné trafostanice vybavené niekoľkými prestavbami všetky susedné trate alebo trate nachádzajúce sa vo vzdialenosti do 2 kilometrov od nich. Rozvodne tohto typu sa dnes nachádzajú v oblastiach s vysokou hustotou električkových (trolejbusových) trás.
Decentralizovaný systém sa začal formovať po 60-tych rokoch, keď sa začali objavovať električkové linky, trolejbusy, metro, napríklad z centra mesta po diaľnici, do odľahlej časti mesta atď.
Tu sú na každých 1-2 kilometroch trate inštalované nízkovýkonové trakčné rozvodne s jednou alebo dvomi meniarňami schopnými zásobovať maximálne dva úseky trate, pričom každý koncový úsek môže byť napájaný susednou rozvodňou.
Energetické straty sú teda menšie, keďže výkonové úseky sú kratšie. Taktiež, ak dôjde k poruche na jednej z rozvodní, časť vedenia zostane napájaná zo susednej rozvodne.
Kontakt električky s jednosmerným vedením je cez pantograf na streche jej vozňa. Môže to byť pantograf, polopantograf, tyč alebo oblúk. Trolejový drôt električkovej trate sa zvyčajne zavesí ľahšie ako koľajnica.Ak sa používa výložník, vzduchové spínače sú usporiadané ako trolejové výložníky. Tok prúdu je zvyčajne cez koľajnice do zeme.
Trolejbus
V trolejbuse je kontaktná sieť rozdelená úsekovými izolátormi na izolované segmenty, z ktorých každý je pripojený k trakčnej rozvodni pomocou napájacích vedení (nadzemných alebo podzemných). To umožňuje jednoduché vypnutie jednotlivých sekcií na opravu v prípade poruchy.Ak sa vyskytne porucha na prívodnom kábli, je možné na izolátory namontovať prepojky na napájanie postihnutej sekcie zo susednej (ide však o abnormálny režim spojený s rizikom preťaženia napájacieho zdroja).
Trakčná rozvodňa znižuje vysokonapäťový striedavý prúd zo 6 na 10 kV a mení ho na jednosmerný prúd s napätím 600 voltov. Pokles napätia v ktoromkoľvek bode siete by podľa noriem nemal byť väčší ako 15%.
Kontaktná sieť trolejbusu sa líši od siete električky. Tu je to dvojvodičové, zem sa nepoužíva na odvádzanie prúdu, takže táto sieť je zložitejšia. Vodiče sú umiestnené v malej vzdialenosti od seba, preto je potrebná obzvlášť starostlivá ochrana pred priblížením a skratom, ako aj izolácia na križovatkách trolejbusových sietí medzi sebou a s električkovými sieťami.
Preto sú na križovatkách inštalované špeciálne prostriedky, ako aj šípky na križovatkách. Okrem toho sa udržiava určité nastaviteľné napätie, ktoré zabraňuje prekrývaniu drôtov vo vetre. Preto sa na pohon trolejbusov používajú tyče — iné zariadenia jednoducho neumožnia splniť všetky tieto požiadavky.
Ramená trolejbusov sú citlivé na kvalitu trolejového vedenia, pretože akýkoľvek defekt na ňom môže viesť k skoku ramena. Existujú normy, podľa ktorých by uhol zlomu v mieste pripevnenia tyče nemal byť väčší ako 4 ° a pri otáčaní pod uhlom väčším ako 12 ° sú nainštalované zakrivené držiaky. Posuvná pätka beží na drôte a nedá sa otáčať s vozíkom, takže tu sú potrebné šípky.
Jednokoľajná
Jednokoľajové vlaky v poslednej dobe premávajú v mnohých mestách po celom svete: Las Vegas, Moskva, Toronto atď. Nachádzajú sa v zábavných parkoch, zoologických záhradách, jednokoľajky slúžia na miestne prehliadky a samozrejme na mestské a prímestské komunikácie.
Kolesá takýchto vlakov nie sú vôbec liatinové, ale liatinové. Kolesá jednoducho vedú jednokoľajový vlak pozdĺž betónového nosníka – koľajníc, na ktorých je umiestnená trať a vedenia (kontaktná koľajnica) napájacieho zdroja.
Niektoré jednokoľajnice sú navrhnuté tak, že sú umiestnené na vrchu koľajnice, podobne ako človek sedí na koni. Niektoré jednokoľajky sú zavesené na nosníku nižšie, pripomínajú obrovskú lampu na tyči. Jednokoľajové dráhy sú samozrejme kompaktnejšie ako konvenčné železnice, ale ich výstavba je nákladnejšia.
Niektoré jednokoľajky majú nielen kolesá, ale aj dodatočnú podporu založenú na magnetickom poli. Moskovská jednokoľajka napríklad jazdí presne na magnetickom vankúši vytvorenom elektromagnetmi. Elektromagnety sú v koľajových vozidlách a na plátne vodiaceho lúča sú permanentné magnety.
Jednokoľajový vlak sa v závislosti od smeru prúdu v elektromagnetoch pohyblivej časti pohybuje dopredu alebo dozadu podľa princípu odpudzovania rovnomenných magnetických pólov - takto funguje lineárny elektromotor.
Jednokoľajový vlak má okrem gumených kolies aj trolejovú koľajnicu pozostávajúcu z troch prvkov na vedenie prúdu: plus, mínus a zem. Napájacie napätie jednokoľajového lineárneho motora je konštantné, rovná sa 600 voltom.
Podzemné
Elektrické vlaky metra prijímajú elektrinu z jednosmernej siete - spravidla z tretej (kontaktnej) koľajnice, ktorej napätie je 750 - 900 voltov. Jednosmerný prúd sa získava v rozvodniach zo striedavého prúdu pomocou usmerňovačov.
Styk vlaku s trolejou sa uskutočňuje prostredníctvom pohyblivého zberača prúdu. Kontaktná zbernica sa nachádza napravo od koľají. Zberač prúdu (takzvaný «Pantograf») je umiestnený na podvozku vozňa a je pritlačený zospodu na kontaktnú zbernicu. Plus je na styčnej koľajnici, mínus je na vlakových koľajniciach.
Po koľajniciach tečie popri silovom prúde aj slabý „signálny“ prúd, ktorý je potrebný na blokovanie a automatické prepínanie semaforov. Koľaje tiež prenášajú do kabíny rušňovodiča informácie o dopravnej signalizácii a povolenej rýchlosti vlaku metra v danom úseku.
Elektrická lokomotíva
Elektrická lokomotíva je lokomotíva poháňaná trakčným motorom. Motor elektrickej lokomotívy získava energiu z trakčnej rozvodne cez kontaktnú sieť.
Elektrická časť elektrického rušňa vo všeobecnosti obsahuje nielen trakčné motory, ale aj meniče napätia, ako aj zariadenia, ktoré pripájajú motory do siete atď. Súčasné vybavenie elektrického rušňa je umiestnené na streche alebo na jeho krytoch a je určené na pripojenie elektrického zariadenia na kontaktnú sieť.
Odber prúdu z trolejového vedenia zabezpečujú zberače na streche, po ktorých je prúd privádzaný cez prípojnice a priechodky do elektrických zariadení. Na streche elektrického rušňa sú aj spínacie zariadenia: vzduchové spínače, prepínače prúdových typov a odpojovače na odpojenie od siete v prípade poruchy zberača. Cez autobusy sa prúd privádza na hlavný vstup, do prevádzacích a regulačných zariadení, do trakčných motorov a iných strojov, potom do dielov kolies a cez ne na koľajnice, na zem.
Regulácia trakčnej sily a rýchlosti elektrického rušňa sa dosahuje zmenou napätia v kotve motora a zmenou súčiniteľa budenia kolektorových motorov alebo úpravou frekvencie a napätia napájacieho prúdu asynchrónnych motorov.
Regulácia napätia sa vykonáva niekoľkými spôsobmi. Spočiatku na jednosmernom elektrickom rušni sú všetky jeho motory zapojené do série a napätie jedného motora na osemnápravovom elektrickom rušni je 375 V s napätím trolejového vedenia 3 kV.
Skupiny trakčných motorov je možné prepínať zo sériového zapojenia — na sériovo-paralelné (2 skupiny po 4 motory zapojené do série, potom je napätie pre každý motor 750 V), alebo na paralelné (4 skupiny po 2 motoroch zapojené do série, potom toto napätie pre jeden motor — 1500 V). A na získanie stredných napätí motorov sa do obvodu pridávajú skupiny reostatov, čo umožňuje nastaviť napätie v krokoch 40-60 V, hoci to vedie k strate časti elektriny na reostatoch v forma tepla.
Výkonové meniče vo vnútri elektrickej lokomotívy sú potrebné na zmenu typu prúdu a zníženie trolejového napätia na požadované hodnoty, ktoré spĺňajú požiadavky trakčných motorov, pomocných strojov a iných obvodov elektrickej lokomotívy. Konverzia sa vykonáva priamo na palube.
Na elektrických lokomotívach na striedavý prúd je k dispozícii trakčný transformátor na zníženie vstupného vysokého napätia, ako aj usmerňovač a vyhladzovacie reaktory na získanie jednosmerného prúdu zo striedavého prúdu. Na napájanie pomocných strojov je možné inštalovať statické meniče napätia a prúdu. Na elektrických rušňoch s asynchrónnym pohonom oboch druhov prúdu sa používajú trakčné striedače, ktoré premieňajú jednosmerný prúd na striedavý prúd s regulovaným napätím a frekvenciou, ktorý je napájaný do trakčných motorov.
Elektrický vlak
Električka alebo električka v klasickej podobe prijíma elektrinu pomocou zberačov cez trolejový drôt alebo trolejovú koľaj.Na rozdiel od elektrickej lokomotívy sú zberače elektrických vlakov umiestnené tak na motorových vozňoch, ako aj na prívesoch.
Ak je prúd dodávaný do ťahaných áut, potom je auto napájané cez špeciálne káble. Zberač prúdu je zvyčajne navrchu, od trolejového drôtu, je vyvedený zberačmi vo forme pantografov (podobne ako pri električkových tratiach).
Zvyčajne je odber prúdu jednofázový, existuje však aj trojfázový, keď elektrický vlak používa pantografy špeciálnej konštrukcie na samostatný kontakt s niekoľkými drôtmi alebo trolejovými koľajnicami (ak ide o metro).
Elektrické vybavenie elektrického vlaku závisí od druhu prúdu (ide o jednosmerný prúd, striedavý prúd alebo dvojsystémové elektrické vlaky), od typu trakčných motorov (zberné alebo asynchrónne), od prítomnosti alebo neprítomnosti elektrického brzdenia.
Elektrické vybavenie elektrických vlakov je v princípe podobné elektrickému vybaveniu elektrických rušňov. Vo väčšine modelov elektrických vlakov je však umiestnený pod karosériou a na strechách vagónov, aby sa zväčšil priestor pre cestujúcich vo vnútri. Princípy pohonu motorov elektrických vlakov sú približne rovnaké ako pri elektrických rušňoch.