برق تراکشن الکتریکی

محمد امینی
تامین توان

مقدمه

طیف گسترده ای از سیستم های تراکشن الکتریکی در سراسر جهان وجود دارد و این سیستم ها با توجه به نوع راه آهن، موقعیت آن و فناوری موجود در زمان نصب ، ساخته شده اند. بسیاری از تاسیساتی که امروزه دیده می شوند ، برای اولین بار بیش از 100 سال پیش ساخته شده اند.

در 20 سال گذشته شتاب سریعی در توسعه تراکشن راه آهن وجود داشته است. این امر به موازات توسعه برق قدرت و ریزپردازنده ها اجرا شده است. آن هنجارهای پذیرفته شده ای که صنعت برای چیزی حدود 80 سال داشت ، کنار گذاشته شد و با تغییرات اساسی در طراحی و ساخت و بهره برداری ، جایگزین شد. بسیاری از این پیشرفت ها بسیار فنی و پیچیده هستند، بنابراین جزئیات آن خارج از محدوده این متون است.

منبع تغذیه

راه‌آهن برقی نیاز به منبع تغذیه دارد که قطارها همیشه بتوانند به آن دسترسی داشته باشند. باید ایمن، مقرون به صرفه و کاربر پسند باشد. می‌تواند از DC (جریان مستقیم) یا AC (جریان متناوب) استفاده کند، جریان مستقیم برای تراکشن راه‌آهن ساده‌تر است، جریان متناوب در مسافت‌های طولانی بهتر و نصب آن ارزان‌تر است، اما تا همین اواخر، کنترل آن در سطح قطار پیچیده‌ تر بود.

مخابره برق همیشه در طول مسیر از سیم هوایی یا در سطح زمین، با استفاده از یک ریل اضافی که نزدیک به ریل های دیگر قرار گرفته است، انجام می شود. سیستم های AC همیشه از سیم های هوایی استفاده می کنند، DC می تواند از سیم هوایی یا ریل اضافی(به اصطلاح ریل سوم) استفاده کند. هر دو سیستم هوایی به حداقل یک کالکتور متصل به قطار نیاز دارند تا بتواند همیشه با توان برقی در تماس باشند. کالکتورهای جریان هوایی از یک “پانتوگراف” استفاده می کنند. مدار برگشتی از طریق ریل های در جریان به پست برق است. ریل های در جریان در پتانسیل زمین(پتانسیل زمین نقطه مرجع برای تمام ولتاژهای یک سیستم است و معمولاً به صورت صفر ولت یا زمین بیان می شود. بالای پتانسیل زمین ولتاژ مثبت نسبت به آن نقطه صفر و زیر پتانسیل زمین ولتاژ منفی نسبت به آن است) هستند و به پست برق متصل می شوند.

شکل 1: بخشی از مسیر آزمایشی Old Dalby در انگلستان که ریل سوم و برق رسانی هوایی را نشان می دهد. هر دو سیستم برای آزمایش قطار از خط اصلی یا متروی لندن ارائه شده‌اند. سیستم ریل سوم در سراسر جهان رایج است اما سیستم ریل چهارم نادر است. متروی لندن بزرگترین کاربر سیستم 4 ریلی در جهان است.

کفشک

مجموعه جریان ریل سوم در طرح های متنوعی عرضه می شود. ساده ترین آن چیزی است که “top contact” نامیده می شود زیرا این قسمتی از ریل است که pick-up shoe روی آن می لغزد (شکل 2).

شکل 2: کالکتر کفشک ریل سوم در EMU(حومه لندن). این کفشک از یک تیر عایق بین باکس های محوری آویزان شده است. این یک سیستم top contact است. دارای معایبی می باشد که کمترین آن این است که در معرض هر کسی یا هر چیزی است که ممکن است با آن تماس پیدا کند. همچنین در آب و هوای بد، کمترین مقدار یخ یا برف باعث می‌شود که سیستم‌های ریل سوم top contact تقریباً غیرقابل اجرا باشند، مگر اینکه هزینه های زیاد چاره کار باشد.

همچنین یک سیستم تماس جانبی وجود دارد. تماس جانبی خیلی بهتر از تماس بالایی نیست، اما حداقل کمتر در معرض دید قرار می گیرد. تماس پایین بهترین است – شما می توانید به طور موثر بیشتر راه آهن را پوشش دهید و از بدترین هوای سرد محافظت می شود. این شکل یک سیستم کشش سه ریلی DC را با موقعیت ریل فعلی نسبت به ریل های در حال اجرا نشان می دهد. سیستم ریلی سوم از یک «کفشک» برای جمع‌آوری جریان در قطار استفاده می‌کند.

شکل 3: قطار راه‌آهن Docklands با سیستم برق رسانی تماس پایین ریل سوم. باید شکاف هایی در ریل سوم وجود داشته باشد که در آن کراس اوورها یا اتصالات در نظر گرفته شده است.

سیستم های کفشک مدرن دارای امکانات بالابر از راه دور هستند. همه کفشک ها معمولاً برای اهداف اضطراری نیاز به راهی برای جابجایی از ریل فعلی دارند. شایع ترین دلیل زمانی است که یک کفشک گسیخته می شود و سیم اتصال آن به تجهیزات الکتریکی قطار ، باید ایمن شود. کفشک ‌های دیگر در همان مدار باید در حین انجام این کار ایزوله شوند، مگر اینکه جریان از کل بخش قطع شود – شاید چندین قطار دیگر غیرفعال شوند.

جداسازی شامل قرار دادن یک «چرخ پره دار» چوبی بین کفشک و ریل فعلی و سپس بستن کفشک با بند یا طناب بود. اخیراً، سیستم‌های مکانیکی یا پنوماتیکی ابداع شده‌اند تا امکان بلند کردن کفشک ها را از داخل قطار از راه دور از کابین قطار فراهم کنند.

اکثر انواع کفشک های top contact به سادگی از تیری آویزان می شوند که بین محورهای بوژی آویزان است. روش تعلیق در ابتدا فقط چند پیوند شکاف دار برای جبران حرکت بود که به گرانش اجازه می داد فشار لازم را فراهم کند. سیستم‌های بعد از آن دارای کفشک ‌هایی بودند که به صورت شعاعی نصب می‌شدند تا تماس پایدارتری را از طریق عمل اهرم فراهم کنند. سیستم‌های تماس بالایی با پوشش‌های محافظ روی آن‌ها، مانند مترو نیویورک (شکل 4)، به هر حال به کفشک ‌هایی که به صورت شعاعی نصب می‌شدند نیاز داشتند تا بتوانند زیر پوشش قرار گیرند.

شکل 4: سیستم جمع آوری جریان ریل سوم در متروی نیویورک که ریل سوم را با پوشش چوبی برای کاهش اثرات برف و یخ نشان می دهد.

کفشک های تماس جانبی و پایینی دارای فنر هستند تا نیروی تماس لازم را فراهم کنند. نمونه ای از یک کفشک تماس پایینی که در خط راه آهن Dockland Light در لندن استفاده می شود در شکل 3 و شکل 5 نشان داده شده است. برخی از سیستم های تماس بالا نیز از بارگذاری فنر استفاده می کنند، اما به دلیل عملکرد شکار بوژی(نوسان شکار کلاسیک یک حرکت نوسانی یک وسیله نقلیه راه‌آهن است که اغلب به آن شکار کامیون یا شکار بوژی می‌گویند . ناشی از عمل مخروطی که پایداری جهت راه‌آهن چسبنده به آن بستگی دارد. از برهمکنش نیروهای چسبندگی و نیروهای اینرسی ناشی می شود) و خطر گیر افتادن کفشک ها در زیر سر ریل و برگرداندن آن، کنترل مکانیکی آنها دشوارتر است.

شکل 5: تصاویر ساده انواع مختلف سیستم های تماس ریل سوم.

شکاف

اغلب قطارهایی با تنها یک پانتوگراف می بینید، اما در قطارهایی که از کفشک استفاده می کنند، همیشه چندین کفشک وجود دارد. تماس با سیم هوایی معمولاً قطع نمی شود، اما ریل سوم باید در محل اتصالات شکسته شود تا تداوم ریل های در جریان امکان پذیر باشد. این شکستگی ریل سوم که به آن‌ها «شکاف» گفته می‌شود ، می‌تواند منجر به قطع برق قطار شود. تلفات برق را می توان با قرار دادن کفشک ها در امتداد قطار و اتصال آنها به یکدیگر توسط کابلی به نام busline کاهش داد. با وجود این، ممکن است مشکلاتی وجود داشته باشد. وای به حال راننده ای که قطارش را با تمام کفشک های «خاموش» یا «شکاف » متوقف کند. این مشکلی است که تنها با فشار دادن به ریل سوم توسط قطار دیگر یا با به دست آوردن رابط های بلند برق با دوشاخه در یک سر قطار و کفشک در انتهای دیگر برای ریل سوم حل می شود. البته باعث تأخیر طولانی می شود.

شکل 6: تصویری که سیستم منبع تغذیه DC ریل سوم را نشان می‌دهد و چگونه شکاف‌های ریل فعلی در جایی که پست ‌های برق خط را تغذیه می‌کنند، ارائه می‌شود. به طور معمول، هر خط در هر جهت به سمت پست برق بعدی تغذیه می شود. این اجازه می دهد تا مقداری بیش از حد تامین شود و در صورت خرابی یک پست، تداوم را فراهم می کند. شکاف ها معمولاً با یک سیگنال یا چراغ نشان می دهند ، جریان در قسمت جلویی روشن است یا خیر. از آنجایی که ممکن است جریان برای توقف قوس یا به دلیل اتصال کوتاه قطع شده باشد، مهم است که قطار با عبور از شکاف ، بلاک مرده(بدون جریان) را به بلاک زنده(دارای جریان) متصل نکند و به busline اجازه دهد تا شکاف را متصل کند. سیستم‌های مدرن ، وضعیت جریان تراکشن را به سیگنال‌ها مرتبط می‌کنند تا قطار اجازه نداشته باشد به سمت بلاک بدون جریان حرکت کند.

در نقاط مختلف خط، مکان هایی وجود خواهد داشت که می توان قطارها را به طور موقت از سیستم تامین برق جدا کرد. در چنین مکان هایی، مانند ایستگاه های پایانه ، “سوئیچ های بخش” ارائه می شود. هنگامی که باز می شوند، از تغذیه بخشی از خط توسط پست برق جلوگیری می کنند. از آنها در مواقعی استفاده می شود که لازم باشد قطاری با خطای الکتریکی در سیستم جمع آوری فعلی آن جدا شود.

اگرچه ریل سوم ، یک سیستم راه آهن حومه یا مترو در نظر گرفته می شود ، منبع ریل سوم(منبع DC 750 ولتی)به طور گسترده در جنوب انگلستان استفاده شده است و قطارهایی که از آن استفاده می کنند به طور منظم تا 145 کیلومتر در ساعت حرکت می کنند. این حد سرعت آن است و فقط به دلایل تاریخی در چنین منطقه بزرگی گسترش یافته است.

بازگشت

در مورد برگشت برق چطور؟ باید یک مدار کامل وجود داشته باشد، از منبع انرژی تا کالای مصرف کننده (لامپ، اجاق غذا یا قطار) و بازگشت به منبع، بنابراین یک هادی برگشتی برای راه آهن ما مورد نیاز است. ساده – از ریل های فولادی که چرخ ها روی آن ها حرکت می کنند استفاده کنید. به شرط اینکه اقدامات احتیاطی برای جلوگیری از بالا رفتن بیش از حد ولتاژ بالای صفر از زمین انجام شود، بسیار خوب کار می کند و این کار را در قرن گذشته انجام داده است. البته، از آنجایی که بسیاری از راه‌آهن‌ها از ریل‌های در حال حرکت برای مدارهای سیگنال‌دهی نیز استفاده می‌کنند، باید اقدامات احتیاطی ویژه‌ای برای محافظت از آنها در برابر تداخل انجام شود.

مدار قدرت در قطار با اتصال برگشت به برس هایی((برس یا برس کربن یک تماس الکتریکی است که اغلب از کربن مخصوص تهیه شده ساخته شده است که جریان را بین قسمت های ثابت و دوار (که دومی معمولاً یک محور چرخان است) یک ماشین الکتریکی هدایت می کند. کاربردهای معمولی شامل موتورهای الکتریکی، دینام و ژنراتورهای الکتریکی است.)) که روی انتهای محور ساییده می شوند تکمیل می شود. چرخ ها، که فولاد هستند، آن را به ریل های در جریان می برند. اینها به پستی که برق را تامین می کند وصل می شوند و کار را انجام می دهند. از همین روش برای تامین خطوط هوایی DC یا AC استفاده می شود.

تراکشن AC و DC

مهم نیست که شما موتورهای AC یا DC دارید، امروزه هر دو می توانند با منبع AC یا DC کار کنند. فقط باید نوع مناسبی از سیستم کنترل را بین منبع تغذیه و موتور قرار دهید تا کار کند. با این حال، انتخاب سیستم انتقال برق AC یا DC در طول خط مهم است. به طور کلی، این یک سوال است که شما چه نوع راه آهنی دارید. می توان آن را به صورت AC برای مسافت طولانی و DC برای مسافت کوتاه خلاصه کرد. البته استثناهایی هم وجود دارد و در ادامه تعدادی از آنها را خواهیم دید.

افزایش ولتاژ AC آسان تر از DC است، بنابراین ارسال برق بیشتر روی خطوط انتقال با AC آسان تر است. به همین دلیل است که برق سراسری تا 765000 ولت AC توزیع می شود. از آنجایی که انتقال AC در فواصل طولانی آسان تر است، یک وسیله ایده آل برای راه آهن برقی است.

از سوی دیگر DC گزینه ارجح برای خطوط کوتاه تر، سیستم های شهری و تراموا بود. با این حال، در تعدادی از سیستم‌های راه‌آهن خط اصلی نیز مورد استفاده قرار گرفت، و هنوز هم برای مثال در برخی از بخش‌های اروپای قاره‌ای استفاده می‌شود. جدای از نیاز به یک سیستم کنترل ساده برای موتورها، اندازه کوچکتر عملیات شهری به این معنی است که قطارها معمولاً سبکتر بوده و به برق کمتری نیاز دارند. البته، برای انتقال برق به یک وسیله انتقال سنگین‌تر، یک ریل سوم یا یک سیم ضخیم نیاز داشت و با افزایش فاصله بین اتصالات تغذیه، مقدار ولتاژ مناسبی را از دست داد. با قرار دادن پست‌ها در فواصل زمانی نزدیک – در ابتدا هر سه یا چهار کیلومتر، امروزه دو یا سه در یک سیستم 750 ولتی – در مقایسه با هر 20 کیلومتر یا بیشتر برای یک خط AC 25 کیلو ولتی ، بر این امر غلبه شد.

لازم به ذکر است که خوردگی همواره یکی از عواملی است که باید در سیستم های برق رسانی به ویژه سیستم های DC مورد توجه قرار گیرد. تمایل جریان های برگشتی به دور شدن از ریل های در حال اجرا به داخل زمین می تواند الکترولیز را با لوله های آب و فلزات مشابه راه اندازی کند. این در اواخر قرن نوزدهم به خوبی درک شد و یکی از دلایلی بود که راه‌آهن‌های زیرزمینی لندن یک سیستم DC کاملاً عایق‌شده با ریل بازگشت منفی جداگانه و همچنین یک ریل مثبت – سیستم چهار ریلی را اتخاذ کردند(این ریل ها به یک زمین مشترک اشاره می کنند که امکان توزیع متقارن ولتاژ در سرتاسر بار را فراهم می کند. ریل مثبت (+V) ولتاژ مثبت را تامین می کند، در حالی که ریل منفی (-V) یک ولتاژ منفی معادل را تامین می کند). با این وجود، برخی از حوادث شرم آور در آسیا با متلاشی شدن پوشش منهول ها(چاهک بازدید) در نزدیکی خط مترو در اوایل دهه 1980 به این معنی است که این مشکل هنوز وجود دارد و همیشه به درستی درک نشده است. آماده‌سازی دقیق حفاظت زمین در سازه‌ها و تونل‌ها بخشی ضروری از فرآیند طراحی راه‌آهن است و نادیده گرفته می‌شود.

خطوط هوایی (Catenary)

مکانیک سیم کشی منبع تغذیه به آن سادگی که به نظر می رسد نیست (شکل 1). اگر قرار باشد کار را به درستی انجام دهد و به اندازه کافی دوام بیاورد که هزینه نصب آن را توجیه کند، آویزان کردن سیم روی خط ، فراهم کردن قطارهای جاری و در حال حرکت در زیر آن، چندان آسان نیست. سیم باید بتواند جریان (چند هزار آمپر) را حمل کند، در مسیر خط باقی بماند، در برابر باد (در هنگ کنگ بادهای طوفان می تواند به 200 کیلومتر در ساعت برسد)، سرما و گرمای شدید و سایر شرایط آب و هوایی متخاصم مقاومت کند.

سیستم‌های زنجیره‌ای هوایی که از منحنی تشکیل‌شده توسط کابل پشتیبان « Catenary » نامیده می‌شوند، هندسه پیچیده‌ای دارند که امروزه معمولاً توسط رایانه طراحی می‌شوند. سیم تماس باید به صورت افقی در کشش نگه داشته شود و به صورت جانبی کشیده شود تا منحنی ها در مسیر ایجاد شود. کشش سیم تماس در منطقه 2 تن خواهد بود. طول سیم معمولا بین 1000 تا 1500 متر بسته به محدوده دما است. سیم نسبت به خط مرکزی مسیر زیگزاگی دارد تا حتی در هنگام عبور از زیر آن، روی پانتوگراف قطار دچار سایش شود.

سیم تماس شیاردار است تا یک گیره در سمت بالا ثابت شود (شکل 7). گیره برای اتصال dropper wire استفاده می شود. کشش سیم توسط وزنه های معلق در هر انتهای طول آن حفظ می شود. هر طول توسط همسایه خود همپوشانی دارد تا عبور صاف برای “PAN” تضمین شود(یک شبکه شخصی (یا PAN) به شما امکان می‌دهد دستگاه‌های الکترونیکی را متصل کنید. برخی از روش های PAN شامل سیم است، اما برخی دیگر به فناوری بی سیم متکی هستند). تراکشن نادرست، همراه با سرعت اشتباه قطار، باعث می شود سر پانتوگراف شروع به جهش کند. با هر پرش یک قوس الکتریکی ایجاد می‌شود و ظرف و سیم به زودی تحت چنین شرایطی فرسوده می‌شوند.

شکل 7: سیم تماس هوایی که شیارهای اضافه شده برای dropper clips را نشان می دهد.

بیش از یک پانتوگراف در قطار می تواند مشکل مشابهی ایجاد کند، زمانی که سر جلویی پانتوگراف موجی را در سیم ایجاد می کند و سر عقبی نمی تواند در تماس بماند. سرعت بالا مشکل را بدتر می کند. سازند TGV فرانسوی (قطار سریع‌السیر) دارای یک واگن برقی در هر انتهای قطار است، اما فقط با یک پانتوگراف که زیر خطوط پرسرعت 25 کیلو ولت AC قرار دارد، کار می‌کند. واگن عقب از طریق یک کابل 25 کیلوولتی که در طول قطار جریان دارد تامین می شود. این امر در بریتانیا به دلیل رویکرد ایمنی غیرقابل انعطاف در آنجا ممنوع است.

یک سیم موج دار مشکل دیگری ایجاد می کند. این می تواند باعث شود که dropper wires که سیم تماس از آن آویزان شده است، “پیچ خوردگی” و تشکیل حلقه های کوچک را ایجاد کند. سپس سیم تماس خیلی بلند می شود و تماس ضعیف را تشدید می کند.

بخش AC

خطوط هوایی معمولاً در بخش هایی مانند سیستم های ریل سوم تغذیه می شوند، اما بخش های هوایی AC معمولاً بسیار طولانی تر هستند. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، هر قسمت فرعی از همسایه خود توسط یک ایزولاتور در تماس هوایی جدا می شود. قسمت های فرعی را می توان از طریق سوئیچ های ویژه با سرعت بالا به یکدیگر متصل کرد.

شکل 8: بخش خنثی عایق شده در یک خط هوایی.

شکل 9: برای کاهش قوس در یک بخش خنثی در خطوط هوایی ، برخی از سیستم ها از آهنرباهای مسیر خط برای قطع خودکار برق قطار در نزدیکی بخش خنثی استفاده می کنند. مجموعه دوم آهنربا بلافاصله پس از عبور از بخش خنثی، برق را بازیابی می کند.

سیستم تعلیق زنجیره ای

بسته به سیستم، سن، موقعیت مکانی و سرعت قطارهایی که از آن استفاده می کنند، اشکال مختلفی از سیستم تعلیق زنجیره ای استفاده می شود. به طور کلی، هر چه سرعت بالاتر باشد، « stitching » پیچیده‌تر است، اگرچه اگر پست‌های پشتیبانی در مسیری با سرعت بالا به اندازه کافی به هم نزدیک باشند، معمولاً یک زنجیره ساده کافی است. در تاسیسات مدرن اغلب از زنجیره های ساده استفاده می شود که کمی آویزان است تا یک تماس خوب ایجاد کند. مشخص شده است که در سرعت های تا 125 متر در ساعت (200 کیلومتر در ساعت) عملکرد خوبی دارد.

در انتهای دیگر ترازو، یک انبار واگن برقی ممکن است فقط یک سیم واحد داشته باشد که مستقیماً از تکیه گاه های عایق آویزان شده باشد. همانطور که یک پانتوگراف از کنار آن عبور می کند، سیم بالا و پایین می رود. این تمام چیزی است که در یک محیط انبار با سرعت کم لازم است. من هنوز به میله های چرخ دستی به عنوان روش جمع آوری فعلی اشاره نکرده ام. اینها برای جمع‌آوری فعلی در سیستم‌های هوایی کم سرعت استفاده می‌شد و در واگن های برقی یا تراموا های شهری رایج بود، اما اکنون منسوخ شده‌اند.

شکل 10: سیستم تعلیق خطوط هوایی. سیستم وزنه و قرقره برای حفظ کشش سیم تماسی طراحی شده است.

سیم‌های هوایی DC معمولاً ضخیم‌تر هستند و در موارد بارگذاری شدید، از سیم‌های دوتایی استفاده می‌شود، مانند سیستم تامین 1500 ولت DC هنگ‌کنگ Mass Transit. تا 3000 ولت هوایی توسط سیستم های خط اصلی DC (به عنوان مثال، بخش هایی از فرانسه، بلژیک و ایتالیا) استفاده می شود، اما زیر 1500 ولت، می توان از ریل سوم استفاده کرد. از نظر عملیاتی، ریل سوم به دلیل خطر بیشتر لمس آن در سطح زمین، ناخوشایند است. همچنین به این معنی است که اگر قطارها متوقف شوند و مجبور به تخلیه شوند، قبل از اینکه مسافران بتوانند در مسیر سرگردان شوند، جریان باید قطع شود. مسیرهای ریلی سوم برای ایمن بودن کامل نیاز به حفاظت ویژه دارند. از سوی دیگر، برخی از افراد سیستم هوایی زنجیره ای را یک نفوذ بصری می دانند. به عنوان مثال، سنگاپور استفاده از آن را در خارج از تونل ها ممنوع کرده است.

ترانسفورماتور تقویت کننده

در خطوط مجهز به سیم های هوایی AC، اقدامات احتیاطی ویژه ای برای کاهش تداخل در کابل های ارتباطی انجام می شود. اگر یک کابل ارتباطی در کنار ریل‌هایی قرار گیرد که جریان برگشتی منبع تغذیه خط هوایی را حمل می‌کنند، می‌تواند ولتاژهای نابرابر القایی در آن داشته باشد. در فواصل طولانی، ولتاژهای نابرابر می تواند یک خطر ایمنی باشد. برای غلبه بر این مشکل، بسیاری از سیستم ها از ترانسفورماتورهای تقویت کننده استفاده کردند. اینها در فواصل مسیر بر روی دکل ها قرار می گیرند. آنها توسط یک کابل هادی برگشتی که از دکل ها آویزان شده است به ایستگاه تغذیه متصل می شوند به طوری که تقریباً به اندازه خط هوایی از مسیر فاصله دارد. هادی برگشت در فواصل زمانی به ریل دارای جریان متصل می شود تا کابل برگشت و ریل را موازی کند. اثر این ترتیب کاهش سطح نویز در کابل ارتباطی و اطمینان از حفظ ولتاژ در سطح ایمن است.

شکل 11: شماتیکی که ترتیبات سیستم های برق رسانی 25 کیلو ولتی AC را با استفاده از ترانسفورماتورهای تقویت کننده و سیستم ترانسفورماتور خودکار نشان می دهد. سیستم ترانسفورماتور خودکار به پست‌ های برق اجازه می‌دهد بدون افت ولتاژ بیشتر از هم فاصله بگیرند.

ترانسفورماتور خودکار

یک سیستم کارآمدتر برق رسانی AC به عنوان سیستم ترانسفورماتور خودکار شناخته می شود. در واقع، مبتنی بر توزیع توان در 50 کیلو ولت AC است، اما برق را به قطارها در 25 کیلو ولت AC تغذیه می کند. برای دستیابی به این امر، ترانسفورماتور پست برقی تغذیه با سیم پیچ ثانویه tap مرکزی( یک نقطه اتصال در امتداد سیم‌پیچ ترانسفورماتور است که امکان انتخاب تعداد معینی چرخش را فراهم می‌کند. این بدان معنی است که یک ترانسفورماتور با نسبت چرخش متغیر تولید می شود که تنظیم ولتاژ خروجی را امکان پذیر می کند) در 50 کیلو ولت (برای حداکثر حد ولتاژ سیم تماس 27.5 کیلو ولت روی 55 کیلو ولت تنظیم شده است) ارائه می شود. tap مرکزی به طور محکم به زمین متصل است به طوری که یک ترمینال +25 کیلو ولت و دیگری در 25- کیلوولت است. این دو با اختلاف فاز 180 درجه تامین می شوند.

با این سیستم، سیم تماس با 25+ کیلو ولت و سیم تغذیه با 25- کیلوولت تغذیه می شود، بنابراین ولتاژ بین این مدارها 50 کیلو ولت اما به زمین 25 کیلو ولت است. عایق ها و فاصله ها ممکن است فقط برای 25 کیلو ولت AC طراحی شوند.

پانتوگراف

جریان از خطوط هوایی توسط پانتوگراف جمع آوری می شود. پانتوگراف ها از نظر جداسازی آسان هستند – شما فقط pan را کاهش می دهید تا منبع تغذیه را به وسیله نقلیه از دست بدهد. با این حال، آنها برخی از پیچیدگی ها را از راه های دیگر ایجاد می کنند.

از آنجایی که پانتوگراف معمولاً یک نقطه تماس برق برای لوکوموتیو یا ماشین برقی است، باید تماس خوبی را در تمام شرایط کار حفظ کند. هرچه سرعت بالاتر باشد، حفظ تماس خوب دشوارتر است. قبلاً به مشکل تشکیل موج در سیم توسط پانتوگراف که با سرعت زیاد حرکت می کند اشاره کردیم.

تماس پانتوگراف یا توسط فنر یا فشار هوا حفظ می شود. فشار هوای فشرده برای عملیات با سرعت بالا ترجیح داده می شود. پانتوگراف به یک پیستون در یک سیلندر متصل است و فشار هوا در سیلندر پانتوگراف را در حالت برجسته نگه می دارد.

در اصل، پانتوگراف ها دقیقاً یک “پانتوگراف” الماسی شکل با سر تماس در بالا بودند. دو چهره تماس به طور معمول ارائه می شود. سیستم‌های مدرن‌تر از پانتوگراف تک بازویی استفاده می‌کنند – واقعاً فقط نیمی از شکل اصلی – طراحی زیباتر.

نوارهای تماس پانتوگراف توسط یک قاب عرضی سبک که دارای “شاخ” در هر انتها است پشتیبانی می شود. اینها به سمت پایین چرخانده می شوند تا خطر قلاب شدن پانتوگراف روی بالای سیم تماس در حین حرکت قطار کاهش یابد. این یکی از شایع ترین دلایل “پایین بودن” سیم ها است. قطاری که با سرعت حرکت می کند و پانتوگراف آن روی سیم قلاب شده است می تواند چندین کیلومتر خط را قبل از شناسایی و توقف قطار پایین بیاورد (شکل 12). پیچیده ترین پانتوگراف ها دارای شاخ هایی هستند که به گونه ای طراحی شده اند که در هنگام ضربه محکم، به عنوان مثال، توسط یک dropper یا بازوی نگهدارنده زنجیره ای ، جدا شوند. این بوق های مخصوص دارای یک لوله کوچک فشار هوا هستند که در صورت از دست دادن فشار باعث پایین آمدن خودکار pan می شود و در نتیجه آسیب احتمالی سیم را کاهش می دهد.

چند ولتاژی

برخی از خدمات قطار از طریق خطوط با استفاده از بیش از یک نوع جریان کار می کنند. در شهرهایی مانند لندن، نیویورک و بوستون، همان قطارها برای بخشی از سفر زیر سیم‌های هوایی حرکت می‌کنند و برای بقیه از ریل سوم استفاده می‌کنند. در اروپا، برخی از لوکوموتیوها برای کار تحت چهار ولتاژ – 25 کیلو ولت AC و 15 کیلو ولت AC و 3000 ولت DC و 1500 ولت DC مجهز شده اند. الکترونیک مدرن این امر را با سهولت نسبی امکان پذیر می کند ، اکنون سفر با ولتاژ متقاطع بدون تغییر لوکوموتیو امکان پذیر است.