Kako mestni in medmestni električni promet pridobiva energijo?

Mestni in medkrajevni električni promet sta postala znana atributa vsakdanjega življenja sodobnega človeka. Že zdavnaj ne razmišljamo več o tem, kako ta transport dobiva hrano. Vsi vedo, da so avtomobili napolnjeni z bencinom, kolesa poganjajo kolesarji. Toda kako se napajajo električne vrste potniškega prometa: tramvaji, trolejbusi, monorail vlaki, podzemne železnice, električni vlaki, električne lokomotive? Kje in kako se jim dovaja pogonska energija? Pogovorimo se o tem.

Tramvaj

V starih časih je bilo vsako novo tramvajsko gospodarstvo prisiljeno imeti svojo elektrarno, saj javna električna omrežja še niso bila dovolj razvita. V 21. stoletju se električna energija za tramvajsko omrežje dobavlja iz omrežij za splošno uporabo.

Napajanje zagotavlja sorazmerno nizkonapetostni enosmerni tok (550 V), ki bi bil preprosto neekonomičen za prenos na dolge razdalje.Zato so vlečne postaje v bližini tramvajskih prog, kjer se izmenični tok iz visokonapetostnega omrežja pretvarja v enosmerni tok (z napetostjo 600 V) za kontaktno omrežje tramvaja. V mestih, kjer vozijo tako tramvaji kot trolejbusi, ti načini prevoza na splošno varčujejo z energijo.

Na ozemlju nekdanje Sovjetske zveze obstajata dve shemi za napajanje nadzemnih vodov za tramvaje in trolejbuse: centralizirano in decentralizirano. Najprej je prišel centraliziran. V njem so velike vlečne postaje, opremljene z več pretvorniškimi enotami, oskrbovale vse sosednje proge ali proge, ki so od njih oddaljene do 2 kilometra. Tovrstne transformatorske postaje se danes nahajajo na območjih z visoko gostoto tramvajskih (trolejbusnih) poti.

Decentralizirani sistem se je začel oblikovati po 60. letih prejšnjega stoletja, ko so se začele pojavljati tramvajske proge, trolejbusi, podzemne železnice, na primer iz središča mesta po avtocesti, v oddaljene predele mesta itd.

Tu so na vsakih 1-2 kilometra proge nameščene vlečne transformatorske postaje majhne moči z eno ali dvema pretvorniškima enotama, ki lahko napajata največ dva odseka proge, pri čemer lahko vsak končni odsek napaja sosednja transformatorska postaja.

Tako so izgube energije manjše, saj so močnostni odseki krajši. Tudi, če pride do napake na eni od transformatorskih postaj, bo odsek voda ostal pod napetostjo iz sosednje transformatorske postaje.

Stik tramvaja z enosmernim vodom poteka preko odjemnika toka na strehi vagona. To je lahko odjemnik toka, pol-odjemnik toka, drog ali lok. Nadzemno žico tramvajske proge je običajno lažje obesiti kot tirnico.Če se uporablja nosilec, so zračna stikala razporejena kot nosilci vozička. Tok običajno poteka skozi tirnice do tal.

Trolejbus

V trolejbusu je kontaktno omrežje razdeljeno s sekcijskimi izolatorji na ločene segmente, od katerih je vsak povezan z vlečno postajo s pomočjo napajalnih vodov (nadzemnih ali podzemnih). To omogoča enostavno izklop posameznih odsekov za popravilo v primeru okvare.Če pride do okvare na napajalnem kablu, je možno namestiti premostitve na izolatorje za napajanje prizadetega odseka iz sosednjega (vendar je to nenormalen način, povezan s tveganjem preobremenitve napajanja).

Vlečna postaja zmanjša visokonapetostni izmenični tok s 6 na 10 kV in ga pretvori v enosmerni tok z napetostjo 600 voltov. Padec napetosti na kateri koli točki omrežja v skladu s standardi ne sme biti večji od 15%.

Kontaktna mreža trolejbusa se razlikuje od mreže tramvaja. Tukaj je dvožična, tla se ne uporabljajo za odvajanje toka, zato je to omrežje bolj zapleteno. Vodniki so nameščeni na majhni razdalji drug od drugega, zato je potrebna še posebej skrbna zaščita pred približevanjem in kratkim stikom ter izolacija na križiščih trolejbusnih omrežij med seboj in s tramvajskimi omrežji.

Zato so na križiščih nameščena posebna sredstva, pa tudi puščice na stičiščih. Poleg tega se ohrani nekaj nastavljive napetosti, ki preprečuje prekrivanje žic v vetru. Zato se za pogon trolejbusov uporabljajo palice - druge naprave preprosto ne bodo omogočile izpolnitve vseh teh zahtev.

Ogrodje trolejbusa je občutljivo na kakovost vozne mreže, saj lahko vsaka napaka na njem povzroči preskok ogrodja. Obstajajo norme, po katerih lomni kot na mestu pritrditve palice ne sme biti večji od 4 °, pri obračanju pod kotom več kot 12 ° pa so nameščeni ukrivljeni nosilci. Drsni čevelj teče po žici in ga ni mogoče vrteti z vozičkom, zato so tu potrebne puščice.

Enotirna

Vlaki z enotirno železnico v zadnjem času vozijo v številnih mestih po svetu: Las Vegas, Moskva, Toronto itd. Najdemo jih v zabaviščnih parkih, živalskih vrtovih, enotirnice se uporabljajo za lokalne oglede in seveda za mestne in primestne komunikacije.

Kolesa takšnih vlakov sploh niso litoželezna, ampak litoželezna. Kolesa preprosto vodijo enotirni vlak vzdolž betonskega nosilca – tirnic, na katerih so tir in vodi (kontaktna tirnica) napajanja.

Nekatere enotirnice so zasnovane tako, da so nameščene na vrhu tirnice, podobno kot človek sedi na vrhu konja. Nekatere enotirnice so obešene na spodnji nosilec in spominjajo na velikansko svetilko na drogu. Seveda so enotirnice kompaktnejše od običajnih železnic, vendar so dražje za gradnjo.

Nekateri monoraili nimajo samo koles, ampak tudi dodatno podporo, ki temelji na magnetnem polju. Moskovska enotirnica, na primer, vozi natančno na magnetni blazini, ki jo ustvarijo elektromagneti. Elektromagneti so v voznem parku, v platnu vodilnega žarka pa so trajni magneti.

Odvisno od smeri toka v elektromagnetih gibljivega dela se enotirni vlak premika naprej ali nazaj po principu odbijanja istoimenskih magnetnih polov – tako deluje linearni elektromotor.

Enotirni vlak ima poleg gumijastih koles tudi kontaktno tirnico, sestavljeno iz treh tokovnih elementov: plus, minus in ozemljitev. Napajalna napetost monorailnega linearnega motorja je konstantna in znaša 600 voltov.

Podzemlje

Električni vlaki podzemne železnice prejemajo električno energijo iz omrežja enosmernega toka - praviloma iz tretje (kontaktne) tirnice, katere napetost je 750-900 voltov. Enosmerni tok se v transformatorskih postajah pridobiva iz izmeničnega toka z uporabo usmernikov.

Stik vlaka s kontaktno tirnico se izvede preko premičnega odjemnika toka. Kontaktno vodilo se nahaja desno od tirov. Tokovni zbiralnik (tako imenovani «Pantograf») se nahaja na podstavnem vozičku vozička in je od spodaj pritisnjen na kontaktno vodilo. Plus je na kontaktni tirnici, minus pa na vlakovnih tirih.

Poleg močnostnega toka po tirnih tirnicah teče šibek "signalni" tok, ki je potreben za blokiranje in avtomatsko preklapljanje semaforjev. Tirnice v voznikovo kabino prenašajo tudi informacije o prometni signalizaciji in dovoljeni hitrosti vlaka podzemne železnice na tem odseku.

Električna lokomotiva

Električna lokomotiva je lokomotiva, ki jo poganja vlečni motor. Motor električne lokomotive prejema energijo iz vlečne postaje preko kontaktnega omrežja.

Električni del električne lokomotive praviloma ne vsebuje le vlečnih motorjev, ampak tudi napetostne pretvornike, pa tudi naprave za povezovanje motorjev v omrežje itd. Tokovna oprema električne lokomotive se nahaja na strehi ali na njenih pokrovih in je namenjena priključitvi električne opreme na kontaktno omrežje.

Zbiranje toka iz nadzemnega voda zagotavljajo odjemniki toka na strehi, nato pa se tok napaja skozi zbiralke in puše do električnih naprav. Na strehi električne lokomotive so tudi stikalne naprave: zračna stikala, stikala za vrste toka in ločilniki za odklop od omrežja v primeru okvare odjemnika toka. Skozi avtobuse se tok napaja na glavni vhod, na naprave za pretvorbo in regulacijo, na vlečne motorje in druge stroje, nato na kose koles in preko njih na tirnice, na tla.

Regulacija vlečne sile in hitrosti električne lokomotive se doseže s spreminjanjem napetosti v armaturi motorja in s spreminjanjem koeficienta vzbujanja kolektorskih motorjev ali s prilagajanjem frekvence in napetosti napajalnega toka asinhronskih motorjev.

Regulacija napetosti poteka na več načinov. Sprva so na električni lokomotivi z enosmernim tokom vsi njeni motorji povezani zaporedno, napetost enega motorja na osemosni električni lokomotivi pa je 375 V, napetost na vozni mreži pa 3 kV.

Skupine pogonskih motorjev se lahko preklopijo iz serijske povezave — na serijsko vzporedno (2 skupini po 4 motorje, povezane zaporedno, potem je napetost za vsak motor 750 V) ali na vzporedno (4 skupine po 2 motorja, vezana zaporedno, nato ta napetost za en motor - 1500 V). Za pridobitev vmesnih napetosti motorjev so v vezje dodane skupine reostatov, ki omogočajo prilagajanje napetosti v korakih po 40-60 V, čeprav to vodi do izgube električne energije na reostatih v obliki toplote.

Močnostni pretvorniki v električni lokomotivi so potrebni za spreminjanje vrste toka in znižanje napetosti vozne mreže na zahtevane vrednosti, ki ustrezajo zahtevam vlečnih motorjev, pomožnih strojev in drugih tokokrogov električne lokomotive. Pretvorba se izvede neposredno na krovu.

Na električnih lokomotivah z izmeničnim tokom je na voljo vlečni transformator za zmanjšanje vhodne visoke napetosti, pa tudi usmernik in reaktorji za izravnavo za pridobivanje enosmernega toka iz izmeničnega toka. Za napajanje pomožnih strojev se lahko vgradijo statični pretvorniki napetosti in toka. Na električnih lokomotivah z asinhronim pogonom obeh vrst toka se uporabljajo vlečni pretvorniki, ki pretvarjajo enosmerni tok v izmenični tok z regulirano napetostjo in frekvenco, ki se napaja v vlečne motorje.

Električni vlak

Električni vlak ali električni vlak v klasični obliki prejema električno energijo s pomočjo odjemnikov toka preko kontaktnega vodnika ali kontaktne tirnice.Za razliko od električne lokomotive so zbiralniki električnih vlakov nameščeni tako na motornih avtomobilih kot na priklopnikih.

Če se tok napaja v vlečene avtomobile, se avto napaja prek posebnih kablov. Tokovni odjemnik je običajno na vrhu, od kontaktne žice, izvajajo ga kolektorji v obliki odjemnikov toka (podobno kot pri tramvajskih progah).

Običajno je tokovna zbirka enofazna, vendar obstaja tudi trifazna, ko električni vlak uporablja odjemnike toka posebne zasnove za ločen stik z več žicami ali kontaktnimi tirnicami (ko gre za podzemno železnico).

Električna oprema električnega vlaka je odvisna od vrste toka (obstaja enosmerni tok, izmenični tok ali dvosistemski električni vlaki), vrste vlečnih motorjev (kolektorski ali asinhroni), prisotnosti ali odsotnosti električnega zaviranja.

Načeloma je električna oprema električnih vlakov podobna električni opremi električnih lokomotiv. Vendar pa je pri večini modelov električnih vlakov nameščen pod karoserijo in na strehah avtomobilov, da se poveča prostor za potnike v notranjosti. Načela pogona motorjev električnih vlakov so približno enaka kot pri električnih lokomotivah.