انواع قطارهای برقی

مقدمه :

در آینده در مورد وجود سوخت فسیلی برای ادامه تمدن بشری تردید وجود دارد و بطور كلی پذیرفته شده است كه باید شكلهای دیگری از انرژی برای ادامه تمدن بشری تولیدشوند از طرف دیگر آلودگی ناشی از سوختهای فسیلی نیز یك عامل مهم برای استفاده از انواع انرژی های دیگر می باشد قطار برقی وسیله ای است كه علاوه بر نداشتن آلودگی در ذخیره انرژی نیز موثر است و انرژی الكتریكی مورد نیاز آن می تواند از انواع متنوع منابع انرژی اولیه مانند انرژی هسته ای بادی خورشیدی و.... تولید شود انواع مختلفی از سیستم های قطار برقی در سراسر دنیا به كار رفته است كه انتخاب نوع سیستم بستگی به نوع سرویس (مسافربر باربر و...) و بار قطار و سیستم تغذیه قطار دارد قطار برقی به علت نیاز به پست بزرگ و اثر منفی روی كیفیت توان شبكه یكی از نامناسب ترین بارها می باشد.

انواع شبكه تغذیه قطار برقی:

در انتخاب نوع سیستم برق رسانی باید هزینه بهینه ، قابلیت اطمینان ، راندمان بالا و رضایت مشتریان شركتهای برق را مد نظر قرار داد. در جدول1 انواع قطار برقی آمده است كه در مورد آن بحث خواهد شد.

جدول 1
مسافت در جهان (km)	نوع سیستم
5106	كمتراز 1500 ولت	DC
221380	بین1500و3000 ولت
78276	3000 ولت وبیشتر
245	كمتراز20 كیلو ولت	50و60 هرتز	تك فاز AC
3741	20 كیلو ولت
84376	20 كیلو ولت
1173	50 كیلو ولت
1469	25 هرتز و11 الی 13 كیلو ولت
120	11 كیلو ولت	16،66 هرتز
35461	15 كیلو ولت
43	سه فاز AC

1-2- شبكه تغذیه DC :

یك سیستم تغذیه DC شامل یكسوكننده پل سه فاز برای تبدیل سیستمم AC به DC می باشد. یكسو كننده 6پالسه هارموتیكهای مرتبه پایین 1 6fk را در سمت AC ایجاد می كند. برای كاهش هارموتیك ها از یكسوكننده 12 پالسه كه شامل دو یكسو كننده 6پالسه می باشد استفاده می‌شود. همچنین برای ایجاد اختلاف فاز 30 درجه در دو یكسوكننده از ترانسفورماتور استفاده می كنند. و بسته به ولتاژ یا جریان مورد نیاز، یكسو كننده ها به صورت سری و یا موازی بسته می شوند.

سیستم ولتاژ پایین VDC 3000/1500/750 برای قطارهای مسافربری (با خط بالا سری یا ریل سوم ) برای سطوح توان پایین مناسب است. قطار برقی كه از سیستم جریان مستقیم تغذیه می كند، شامل ماشین جریان مستقیم ویا ماشین القایی به همراه اینورتر می باشد كه به دو صورت موتور وژنراتور عمل می كند. یعنی در لحظه شتابگیری كه قطار به خط وصل است به صورت موتور و زمان ترمز و سرازیری ژنراتور عمل می كند كه در سیستمهای قدیمی، توان تولیدی توسط آن در مقاومت هایی تلف می شود ولی در سیستم های جدید،این توان توسط اینورتر به شبكه برگردانده می‌شود.

2-2 شبكه تغذیه :AC

· سیستم AC با ولتاژ 25/15 كیلو ولت ،50/60 هرتز؛ این سیستم از یك یا دو فاز سیستم سه فازه تغذیه می شود كه سبب نامتعادلی سیستم می گردد. این سیستم در آمریكا، كانادا، فرانسه، روسیه و... به كار رفته است و اغلب برای قطارهای مسافربر و باربر و با بار كمتر از 4الی 5 مگا ولت آمپر به كار می رود.

· سیستم ACبا ولتاژ 50 كیلو ولت ، 50/60 هرتز؛ افزایش ولتاژ خط هوایی باعث كاهش تلفات و سایز هادی ونیز باعث افزایش توان تحمیلی توسط خط هوایی می شود. این سیستم اغلب برای بارهای بالا و فواصل طولانی به كار می رود. این سیستم اغلب در نواحی روستایی برای قطارهای باربر با توان 18 الی 24 مگا وات به كار می رود.

· سیستمهای فركانس پایین : سیستم فركانس پایین به مدت یك قرن است كه در كشورهای اروپایی به كار می رود و برای سطوح توان متوسط و قطارهای مسافربری و باربر مناسب است .این سیستم دارای مزایای زیر می باشد:

1. به علت فركانس پایین، افت ولتاژ در این سیستم پایین می آید. بنابراین می توان پستها را با فاصله بیشتری از هم انتخاب كرد.

2. با تبدیل فركانس می توان شبكه تكفاز را هم به كار برد و نامتعادلی را پایین آورد.

3. فاصله سیم از زمین و ولتاژ خط را می توان كم كرد.

3 _ اجزا سیستم برق رسانی قطار برقی :

سیستم برق رسانی قطار برقی باید قدرت حركت یك قطار را فراهم سازد و این قدرت باید از یك پست به لكوموتیو تحویل داده شود.در زیر اجزا مهم یك سیستم برق رسانی قطار برقی مورد برسی قرار گرفته است:

1-3- لكوموتیو قطار برقی:

شامل موتورهایDC یا القایی می باشد. مجموعه قطار(مسافربری یا بین شهری) به وسیله چند موتور كشیده می شوند. توان درخواستی چنین مجموعه ای بین 5الی10 مگا وات می باشد. این موتورها یا برای برای قدرت كششی بالا(قطار باربر) و یا برای سرعت بالا(مسافربر یا بین شهری) طراحی می شوند.

2-3- پستهای تغذیه قطار برقی:

قدرت درخواستی در پستها به بار قطار، فركانس و تعداد قطارهای تغذیه كننده از آن پست بستگی دارد. فاصله پستها از هم به نوع سرویس (مسافربر، باربر و....) و سیستم برق رسانی به كار رفته بستگی دارد. همچنین توان كشیده شده به وسیله هر یك از قطارها به سرعت مورد نیاز قطار، پروفیل خط و... بستگی دارد.

3-3- سیستم تغذیه :

در راه آهن های برقی، تغذیه قطارها به طرق مختلفی صورت می گیرد كه عبارتند از:

1-3-3- سیستم تغذیه بالا سری :

پانتوگراف یكی از اجزا قطار برقی است و وظیفه آن نگهداشتن اتصال بین خط هوایی و مدار قدرت لكوموتیو است. از پانتوگراف و سیستم تغذیه بالا سری در سیستم هایی استفاده می شود كه دارای سرعت 100الی250 كیلومتر بر ساعت میباشند.

2-3-3- ریل سوم :

این سیستم از سال 1927 در ژاپن به كار رفته است. در این سیستم، تغذیه قطار بوسیله یك ریل هادی به نام ریل سوم انجام می شود كه موازی با ریل حركت می باشد و به 3/. الی 4/. متر در كنار آن قرار دارد. در اكثر سیستم های ریل سوم، جمع كننده جریان به شكل كفش فولادی است كه در بالای ریل قرار می گیرد. در بعضی از سیستم های ریل سوم، جمع كننده در سمت داخلی و یا كناری ریل قرار دارد كه در این حالت امكان اتصال اشیاء خارجی به ریل كم است.

كیفیت دریافت جریان توسط ریل سوم در سرعت های بالا، ضعیف است. بنابراین برای ولتاژهای 650 الی700 ولت و سرعتهای 70 الی 100 كیلومتر بر ساعت مناسب می باشد.

4- منحنی سرعت قطار برقی:

منحنی سرعت یك قطار برقی در فاصله بین دو ایستگاه را می توان به صورت شكل 7- نشان داد ، كه در آن

oa: زمان شتابگیری قطار تا رسیدن به سرعت مورد نظر .

· ab: زمان حركت قطار با سرعت وگشتاور و توان ورودی ثابت.

· bc: زمان ترمز و قطع ارتباط قطار از شبكه تغذیه.

5- انتخاب نوع موتور :

انتخاب نوع موتور به مشخصه سرعت- گشتاور بستگی دارد و در همه موتورها با كاهش سرعت ،گشتاور افزایش می یابد. میزان كاهش سرعت با افزایش گشتاور، در انواع موتورهای جریان مستقیم شنت و سری و موتورهای ACالقایی متفاوت است.

1-5- مشخصه های سرعت –گشتاور موتورهای الكتریكی:

مشخصه سرعت – گشتاور موتورهای الكتریكی كه در شكل 8- نشان داده شده است به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

1ـ مشخصه سرعت – گشتاور كاملاً سخت كه در آن با كاهش گشتاور سرعت تغییر چندانی نمی كند.

2ـ مشخصه سرعت – گشتاور سخت كه در آن با كاهش گشتاور، سرعت كمی افزایش می یابد.

3ـ مشخصه سرعت – گشتاور نرم كه در آن با كاهش گشتاور، سرعت افزایش می یابد.

2-5- مقایسه موتورهای جریان مستقیم سری و شنت برای قطار برقی:

موتورهای الكتریكی جریان مستقیم سری و شنت را با توجه مشخصه به سرعت – گشتاور شكل (9)در زیر مورد مقایسه قرار می دهیم.

1- موتور سری توانایی اعمال گشتاور بزرگی را در لحظه راه اندازی دارد.

2- در موتور سری مطابق مشخصه گشتاور- سرعت نرم، با افزایش گشتاور، سرعت كاهش می یابد و به این ترتیب موتور در مقابل اضافه بار حفاظت می شود. در حالیكه موتور شنت دارای مشخصه گشتاور- سرعت سخت می باشد.

3- چرخهای با قطرهای نابرابر سبب می شود كه موتورهای كوپل شده به هم دارای سرعتهای متفاوتی باشند.مشخصه گشتاور – سرعت موتور سری نشان می دهد كه اختلاف در سرعت ، اختلاف كمی را در گشتاور ایجاد می كند ، در حالیكه در موتور شنت اختلاف زیادی را ایجاد می‌كند.

4- افزایش ناگهانی در ولتاژ موتور باعث ایجاد جریان هجومی در موتور می گردد كه دامنه آن امپدانس مدار موتور و EMFموتور بستگی دارد .در یك موتور سری امپدانس معادل شامل امپدانس آرمیچر و میدان است ولی در موتور شنت فقط شامل امپدانس آرمیچر است ،بنابراین دامنه جریان هجومی در موتور سری كمتر از شنت می باشد .

با توجه به موارد بالا دیده می شود كه در سیستمهای DC، موتور جریان مستقیم سری مناسب تر از موتور شنت می با شد.

3ـ5ـ كاربرد موتورهای القایی برای قطار برقی:

موتورهای القای از نوع قفس سنجابی ،دارای مقاومت بالایی می باشند و نیاز به نگهداری كم و در نتیجه هزینه پایینی دارند این عوامل و همچنین رشد تكنولوژی الكترونیك قدرت از سال 1970 باعث به كار بردن موتورهای القایی در قطارهایی برقی شده است . با به كار بردن اینورترهای ولتاژ و فركانس متغیر به همراه موتورهای القای می توان به مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای جریان مستقیم سری دست یافت.

4-5 -مقایسه موتورهایی القایی و جریان مستقیم سری :

1- موتور القایی دارای راندمان بالایی نسبت به موتور جریان مستقیم سری می باشد.

2- موتور القایی نیاز به نگهداری كمی دارد .

3- موتور القایی دارای توان خروجی و سرعت بالایی است . بنابراین وزن آن برای توان معینی كمتر از وزن موتور جریان مستقیم سری است.

و...

6-انواع قطار برقی از جهت حمل و نقل :

قطار برقی از جهت حمل و نقل به انواع زیر تقسیم می شود:

1- انتقال مسافران در داخل شهر

2- انتقال مسافران از حومه شهر به داخل شهر

3-انتقال مسافران بین شهرهای مختلف

4-انتقال مسافران بین كشورهای مختلف

5-انتقال بار

7- -كاربرد انواع قطار برقی :

انواع مختلفی از قطار برقی در سراسر جهان به كار می رود كه نوع آن به بار قطار، تكنولوژی موجود و...بستگی دارد. بنابرین قدرت درخواستی انواع قطارها نیز متفاوت می باشد. در جدول 2 انواع قطار برقی موجود در آمریكا آمده است.

بیشترین قدرت درخواستی قطار برقی در آمریكا، قطار باربر می باشد كه باعث اعتراض شركت های برق می شود.

· كاربرد انواع قطار برقی در زیر آمده است:

1-7- قطارهای سبك1:

این قطار در خیابانهای داخل شهر روی مسیر معینی حركت می كند این نوع از قطارها از هر 1 الی 2 مایل می ایستد بنابراین نیاز به شتابگیری و ایست سریع دارد . قدرت درخواستی این نوع از قطارها پایین و معمولاً كمتر از MW 1 می باشد. این قطارها می توانند به آسانی از یك سیستم ولتاژ مستقیم پایین تغذیه شوند. پستها به فاصله 2 الی3 مایل از هم قرار دارند و تقریباً نزدیك ایستگاهها می باشند. تعداد زیادی از این قطارها در شهرهای آمریكا نصب و راه اندازی شده اند.

2-7- قطارهای مسافربری2:

این قطارها، معمولا طویلی هستند كه در حومه شهرها وبا سرعت بالا حركت می كنند و دارای توان درخواستی بالا می باشند و از سیستم ولتاژ بالای 15 الی25 كیلو ولت و از طریق خط هوایی تغذیه می كنند. ایستگاههای این نوع قطارها به فاصله 10 الی 15 مایل از هم قرار دارند. این قطارها می توانند یكی از انواع قطارهایی باشند كه از سیستم متناوب و با كیفیت بالا تغذیه می‌شود و قدرت درخواستی آنها 3الی 4 مگا وات است.

3-7- قطارهای با سرعت بالای داخل شهری3:

این قطارها با سرعت خیلی بالایی حركت می كنند و شاید نیاز به چندین موتور داشته باشند بنابراین قدرت درخواستی آنها بالا است. توان درخواستی آنها در حدود 3 الی4 مگاوات است.

توان مورد نیاز این قطارها می تواند از یك شبكه 69 یا 115 و یا220 كیلو ولت بدست آید.

4-7- قطارهای سریع السیر مسافربر1:

این قطارها در فرانسه، یكی از سریع ترین قطارهای دنیا هستند. پیش‌بینی می شود كه اغلب این قطارهای با سرعت بالا در آینده در آمریكا نیز بكار برده شوند. این قطار با سرعت 330 مایل در ساعت حركت می كند. بنابراین نیاز به توان بالایی دارد. برای تغذیه این قطارها در فرانسه ،سیستم تك فاز 25 كیلو ولت و50 هرتز در ساعات كار عادی به كار رفته است.

5-7-قطارهای باربر2 :

قطارهای باربر، توان بالایی می خواهند و با سرعت كم حركت می كنند. اما قدرت كششی بالایی را به كار می برند. در اغلب كشورهای اروپایی، قطارهای باربر از همان خط برقی قطارهای مسافربر و یا بین شهری استفاده می كنند و توان مورد نیاز آن 4 الی8 مگاوات است. قطارهای باربر در آمریكا توسط 4 الی6 لكوموتیو دیزلی رانده می شوند. قطارهای باربر یكی از طویل ترین قطارها هستند(100واگن یا بیشتر)و توان بالایی در حدود 18الی24 مگاوات را نیاز دارند این توان به شبكه و پست و خط هوایی نیرومندی نیازمند است والا می تواند باعث كیفیت نامطلوب توان در شبكه شود.

8-ملاحظات كیفیت توان و سیستم قطار برقی :

يكی از عيبهای قطار برقی تأثير منفی آنها در سيستم قدرت می باشد كه عبارتند از:

1ـ فكيلر ولتاژ در زمانی كه قطارها از يك پست به ديگری می روند.

2ـ هارمونيك ها كه به علت وجود درايوهای سرعت و نيز اجزا تبديل فركانس به وجود می آيند.

3ـ نامتعادلي سيستم قدرت زماني به وجود مي آيد كه قطار از يك يا دو فاز يك سيستم سه فازه، تغذيه مي شود. (در سيستمهاي با فركانس پائين اين مشكل كم شده است).

اين مسائل به عنوان مشكلات كيفيت توان شناخته شده اند و نتيجه آنها، هزينه بالا و جريمه و تداخل با ديگر مشتريان سيستم مي باشد. تكنيكهاي زيادي در كشورهاي مختلف براي مقابله با اين مسائل به كار رفته كه يك نمونه از آن به كار بردن جبرانسازها مي باشد.

انواع قطارهای برقی

مطالب مشابه :

انواع قطار

معرفي انواع قطارها و واگنها

انواع قطارهای برقی

آشنایی با انواع و مشخصات سامانه های ریلی پر سرعت (قطارهای سریع السیر) در دنیا

لذت سفر با قطارهای مدرن*

بررسی سیستم های حمل و نقل ریلی (قطار شهری)

جدید ترین قوانین و مقررات راه آهن فصل نهم سرعت و در صد وزن ترمز و تنظيم برنامه قطارها

اجزاء اصلی وسایل نقلیه ریلی

معرفي انواع ماشين‌هاي ريلي

انواع قطار در اروپا