پیشگفتار
در گذشته بیشتر ماشین های حمل و نقل از ولتاژ DC ثابت ریل سوم بوسیله درایوهای DC تغذیه
می شدند. موتورها بوسیله کنترل کننده های نوع مقاومتی، که شتاب لازم را برای ماشین فراهم
می کردند، کنترل می شدند. این سیستم ها همچنین شامل ترمز دینامیکی برای کم کردن شتاب و شامل سیستم های ترمز سایشی جهت پشتیبانی یا تکمیل سیستم های ترمز دینامیکی می باشند.
ولی امروزه الکترونیک قدرت عامل عمده در بهبود سیستم های محرکه پیشرفته شده است. وجود عناصر نیمه هادی و تولید اینورترها باعث کاهش هزینه های راهبری شده اند. گام اول جایگزینی کنتاکتورها با مقاومت ها و بوسیله یکسو کننده های کنترل شده و چاپرهای DC جهت کنترل توان موتورهای DC بوده است. در گام دوم کاربرد موتورهای قفس سنجابی با پیشرفت اینورترهای با ولتاژ و فرکانس متغیر (VVVF) ممکن شده است. حتی در این زمینه، راه آهن به عنوان پیشگام در سیستم های الکترونیک قدرت شناخته شده است.
سیستم محرکه AC درجه بالایی از ترمز احیا کننده را با مقدار بسیار کم تجهیزات ایجاد می کند. مقدار توان احیا شده به فاکتورهای زیادی از جمله مکان ایستگاه و شدت ترافیک بستگی دارد. مطالعات رایانه ای نشان داده اند که احیای توان در سیستم های محرکه AC ، 40 تا 50 درصد در مقایسه با ماشین های معادل که با کنترل کننده های مقاومتی و ترمز دینامیکی کار می کنند بیشتر می باشد.
در نتیجه در حال حاضر اهداف طراحان، سازندگان و استفاده کنندگان سیستم های تراکشن الکتریکی بر اساس قابلیت اطمینان حداکثر، دسترسی آسان، حداقل سرویس و نگهداری و ... همگی با لوکوموتیوهای مدرن با تراکشن القایی تحقق یافته است. در واقع رسیدن به این هدف ناشی از موارد زیر می باشد
الف) امکان استفاده از موتورهای تراکشن القایی ساده و محکم.
ب) الکترونیک قدرت و کنورترهای مدرن .
پ) کنترل و نظارت میکروپروسسوری قوی و خیلی سریع.
این پایان نامه به بررسی و تحلیل درایوهای تراکشن جریان مستقیم و القایی می پردازد.
امید است گردآوری این مجموعه سرآغاز مطالعات و تحقیقات بیشتر در این زمینه گردد.
فصل اول
کشش الکتریکی
برای بررسی خصوصیات روشهای مختلف محرک لوکوموتیو، ابتدا باید مشخصات حرکتی (Synematic Characteristics) لوکوموتیوها در حالت کلی بررسی شود و سپس روشهای مناسب برای ایجاد آن مشخصات حرکتی انتخاب گردد.
در این فصل، ابتدا معادلات حرکتی و دینامیکی ( Synematic & Dynamic Equations ) حاکم بر قطار بدست آمده و در نهایت ویژگیهای موتورهای الکتریکی لکوموتیو در حالت ایده آل نتیجه خواهد داد.
1-1) تعیین مشخصات حرکتی قطار
همانطور که می دانید، برای تعیین نحوه حرکت قطارها در هر مسیر از راه آهن، از یک جدول زمانبندی (Time Table) استفاده می شود که دارای سه بعد: 1- شماره قطار، 2- مسافت قطار، 3- زمان
می باشد. از طرفی‌تعیین جدول زمانبندی یک مسیر نیازمند دانستن دو دسته اطلاعات برای هر قطار است.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
دسته اول شامل اطلاعات مربوط به لحظات خارج بودن قطار از مسیر هستند مانند: زمان توقف در هر ایستگاه (Dwell Time) ، زمان تعویض مسیر ( Time Shunting) و ... که با توجه به طراحی اولیه معلوم فرض می شوند.
دسته دوم شامل اطلاعات مربوط به لحظات حرکت قطار در مسیر هستند که از حل معادلات حرکتی قطار بدست می آیند. برای حل این معادلات، باید در هر لحظه نیروهای وارد بر قطار را که شامل نیروی کششی (Tractive Effort) قطار، نیروی مقاوم (Drag Resistance) یا نیروی کند کننده قطار و نیروی ترمزگیری (Braking Effort) یا متوقف کننده قطار هستند، تعیین شوند. در ادامه به محاسبه این نیروها می پردازیم.
1-1-1) نیروی محرک قطار
به طور کلی نیروی محرک قطار، تابع نوع موتورهای کششی (Traction Motors) موجود در لکوموتیو و سیستم کنترل آنها بوده و مشخصه این نیرو توسط کارخانه سازنده برای هر نوع لکوموتیو بصورت منحنی نیروی کششی بر حسب سرعت قطار تعیین می گردد.
شکل (1-1) منحنی نیروی کششی F بر حسب سرعت V یک لکوموتیو را نشان می دهد. همانطور که می بینید این منحنی شامل دو ناحیه است. در ناحیه اول نیروی محرک زیاد و بطور تقریباً ثابتی از لحاظ راه اندازی تا سرعت پایه (Base Speed) به لکوموتیو اعمال می شود، بنحویکه سرعت قطار با شتابی زیاد و بصورت تقریباً ثابتی افزایش یابد. در ناحیه دوم که قطار دارای سرعتی بیش از سرعت پایه است، نیروی محرک قطار با افزایش سرعت، کاهش می یابد، بنحویکه حاصلضرب آنها که همان توان مکانیکی قطار است تقریباً ثابت بماند. بنابراین چنانچه نوع لکوموتیو معلوم باشد، نیروی محرک در طول مسیر، تابعی از سرعت قطار خواهد بود. بنابراین داریم:
(1-1) F = fF(V)
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل (1-1) منحنی نیروی کششی F بر حسب سرعت V لکوموتیو
1-1-2) نیروی مقاوم قطار ( Train Resistance )
بطور کلی، نیروی مقاوم قطار در طول مسیر حرکت آن ثابت نیست. این نیرو از مولفه هایی که تابع نوع، وضعیت و مشخصات حرکتی قطار هستند، تشکیل می شود. در ادامه به معرفی این مؤلفه ها می پردازیم.
الف) مقاومت مخصوص چرخشی:
(Specific Rolling Resistance)
مقاومت مخصوص چرخشی Rr ، تابع سرعت قطار V بوده و شکل عمومی آن عبارتست از:
(2-1) Rr = C0+C1.v + C2.v2
در این رابطه ضریب C0 ناشی از مقاومت غلتشی بوده و شامل اصطکاک یاتاقانها و مقاومت مسیر نیز می باشد. ضریب C1 ناشی از تکانهای مزاحم واحد جلو برنده قطار است و ضریب C2 نیز ناشی از مقاومت هوا می باشد.
یکی از روابط تجربی متداول برای مدل کردن مقاومت مخصوص چرخشی، رابطه شاتوف (Sauthoffs formula) می باشد که بصورت زیر بیان می شود:
(3-1)
Rr مقاومت مخصوص چرخشی بر حسب [ N/t]
a ضریبی وابسته به نوع یاتاقانها
v سرعت قطار بر حسب [Km/h]
Fe ضریبی وابسته به سطح جلویی واگنها
W جرم قطار بر حسب [t]
nw تعداد واگنها
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
ب) مقاومت مخصوص شیب (Specific Grade Resistance):
مقاومت شیب، مولفه ای، از نیروی جرم قطار است که در جهت عکس قطار و یا در جهت حرکت آن اعمال می شود. بنابراین هنگامیکه شیب مثبت باشد، موجب کندی سرعت قطار شده و در حالیکه شیب منفی است موجب افزایش سرعت آن می شود. بعبارت دیگر، این مقاومت تابع وضعیت قطار بر روی مسیر است.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل (2-1) اثر مقاومت شیب بر روی سرعت قطار
مطابق شکل (2-1) می توان نوشت:
(4-1)
Rg مقاومت مخصوص شیب بر حسب [N/Kg]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
زاویه بین سطح قطار و سطح افق
رابطه (4) معمولاً بصورت زیر بیان می شود:
(5-1) (فرمول در فایل اصلی موجود است)
مقدار s برای نقاط مختلف مسیر بصورت جدول داده می شود.
این مقاومت ناشی از لغزش بین چرخ قطار و ریل در قسمتهای خمیده مسیر است و در نتیجه، تابع وضعیت قطار بر روی مسیر می باشد. یکی از روابط تجربی متداول برای محاسبه مقاومت مخصوص قوس، رابطه عمومی (Universal Formula) می باشد که بدین صورت بیان می شود:
(6-1)
Ra مقاومت مخصوص قوس بر حسب [N/t]
S فاصله بین سطوح چرخ های گرداننده محور قطار بر حسب [m]
d مقدار متوسط طول کلیه پایه های نگهدارنده چرخها بر حسب [m]
g شتاب جاذبه بر حسب [m/s2]
R شعاع قوس بر حسب [m]
ت) مقاومت مخصوص شتاب:
(Specific Acceleration Resistance)
بر اساس قانون دوم نیوتن، این مقاومت ناشی از اینرسی قطار بوده و به شتاب قطار بستگی دارد. در عمل، جرم مؤثر قطار متحرک را کمی بیشتر از جرم واقعی آن در نظر می گیرند و بنابراین می توان نوشت:
(7-1) Rac = 1060.a
Rac مقاومت مخصوص شتاب بر حسب [N/t]
a شتاب قطار بر حسب [m/s2]
ث) مقاومت مخصوص راه اندازی:
(Specific Starting Resistance)
گذر از حالت سکون به حرکت قطار، همراه با مقاومت می باشد. این مقاومت که تنها در لحظه راه اندازی وجود دارد، به نوع یاتاقانهای قطار بستگی دارد. بنابراین می توان نوشت:
(8-1) برای یاتاقانهای چرخنده 15 < Rst < 70
(9-1) برای یاتاقانهای مسطح 120 < Rst < 260
در اینجه Rst بر حسب [N/t] می باشد.
تا اینجا روش محاسبه مولفه های نیروی مقاوم بیان شد. بنابراین، نیروی مقاوم یک قطار در حال حرکت بدین صورت محاسبه می شود:
(10-1) R = W (Rr + Rg + Ra + Rac)
R نیروی مقاوم قطار بر حسب [N]
W وزن قطار بر حسب [t]
Rr و Rg و Ra و Rac مولفه های نیروی مقاوم بر حسب [N/t]
بنابراین چنانچه نوع قطار معلوم باشد. نیروی مقاوم را می توان تابعی از مسافت x، سرعت v و شتاب a قطار در طول مسیر دانست.
(11-1)
1-1-3) نیروی ترمز گیری قطار
همانطور که می دانید برای توقف قطار در انتهای هر مسیر و یا در مواقع اضطراری به نیروی مقاومی برای ترمزگیری احتیاج داریم. در حالت کلی این نیرو می تواند به دو طریق مکانیکی و یا الکتریکی تأمین شود .
از آنجا که ترمزگیری میکانیکی (Mechanic Braking) دارای استهلاک زیادی است، بنابراین ازآن فقط در سرعتهای پائین و در زمانیکه ترمزگیری الکتریکی میسر نبا شد، استفاده می شود . ترمزگیری الکتریکی (Elctric Braking ) نیز به دو صورت امکان پذیر است. در روش اول، کل انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی موتورهای کششی در یک مقاومت الکتریکی بصورت انرژی حرارتی تلف می شود و بنابر این قطار هیچگونه مبادله انرژی با شبکه برق رسانی انجام نمی دهد. این روش را ترمزگیری دینامیکی (Dynamic Braking ) یا مقاومتی (Resisstance Braking) و یا رئوستایی (Rheostatic Braking ) می نامند.
در روش دوم، موتورها درحالت ترمز گیری بصورت ژنراتور عمل کرده و بخشی از انرژی جنبشی قطار را که در میدان مغناطیسی موتور ذخیره شده است ، بصورت انرژی الکتریکی به شبکه برق رسانی باز می گردانند . در این نوع ترمزگیری ، مسأله مهم یافتن یک مصرف کننده دیگر در لحظه ترمزگیری یک قطار است.
باید به این نکته توجه داشت که برای کاهش جرک (Jerk ) و ترمزگیری سریع ، سعی براینست که نیروی ترمزگیری قطار با کاهش سرعت آن ثابت بماند. در عمل برای ثابت ماندن نیروی ترمزگیری از هر دو روش ترمزگیری مکانیکی والکتریکی استفاده می شود ، بنحویکه همواره سعی بر آنست ، تا حد ممکن از ترمزگیری الکتریکی استفاده می شود و در سرعتهایی که نیروی ترمزگیری الکتریکی محدود شود نیروی ترمزگیری مکانیکی این نقصان را جبران نماید. بنابر این در نهایت مجموع نیروهای ترمزگیری الکتریکی ومکانیکی ثابت خواهد بود.
از طرفی نیروی ترمزگیری الکتریکی در دو حالت می تواند محدود شود. حالت اول در سرعتهای بالاتر از دور نامی موتورهای الکتریکی قطار است که بدلیل محدودیت ولتاژ وتوان الکتریکی موتور های کششی و همچنین جلوگیری از افزایش ولتاژ خط برق رسانی، قادر به تأمین گشتاور مورد نیاز در سرعتهای بالاتر از دور نامی نیستند. حالت دوم در سرعت پائین (حدود 10 درصد دور نامی موتورهای الکتریکی ) تا لحظه توقف است که بدلیل کاهش ولتاژ دو سر موتورها در حالت ژنراتوری قادر به تأمین گشتاور مورد نیاز نخواهیم بود . از اینرو همانطور که بیان شد در هر دو حالت فوق ، از ترمزگیری مکانیکی نیز استفاده می شود. شکل (3-1)، منحی نیروی ترمزگیری قطار که شامل ترمزگیری الکتریکی و مکانیکی درسرعتهای مختلف است را نشان می دهد .
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل( 3-1) منحنی نیروی ترمز گیری قطار شامل ترمزگیری الکتریکی و مکانیکی در سرعتهای مختلف
باید توجه داشت که در عمل موتورهای کششی قادر به تحمل ولتاژ و توان بالاتر از مقدار نامی نیز بوده و با روشهایی که درقسمتهای بعد بیان خواهد شد، می توان نیروی ترمزگیری الکتریکی را حتی در سرعتهای بالاتر از دور نامی ثابت نگهداشت. از آنچه که بیان شد، می توان نتیجه گرفت که نیروی ترمزگیری مقدار ثابتی است:
(12-1) FB=const
1-1-4) محاسبه منحی سرعت بر حسب زمان
این منحنی، نشانگر سرعت قطار در هر لحظه در فاصله بین دو ایستگاه است .شکل
(4-1) ، منحنی های سرعت بر حسب زمان و نیروی محرک بر حسب سرعت قطار را نشان می دهد. منحنی سرعت بر حسب زمان را را می توان حداقل به پنج ناحیه تقسیم کرد و در هر ناحیه ، معادلات حرکتی قطار اعمال نمود.
در حالت کلی ، مجموعه نیروهای وارده بر قطار را که شامل نیروی محرک Fیا نیروی ترمزی FB است بصورت Ft و مجموعه نیروهای مقاوم در مقابل حرکت قطار را بصورت R نشان دهیم ، می توان نوشت:
(13-1) Ft-R=o
باید توجه داشت که Ft مطابق شکل (4-1) در ناحیه اول ودوم و سوم ، مطابق رابطه (14-1) تابع سرعت قطار V بوده و در ناحیه چهارم صفر است . همچنین Ft در ناحیه پنجم ، برابر نیروی ترمزگیری FB بوده و مطابق رابطه (12-1) مقدار ثابتی است ، بنابر این در مجموع می توان Ftرا تابعی از سرعت قطار دانست :
(14-1) Ft = ft (v)
با جایگذاری روابط (1-1) و (11-1) در (13-1) داریم :
(15-1) ft (v) – fR(x,v,a )= o
بنابر این با استفاده ار رابطه (15-1) شتاب قطار در هر لحظه بصورت تابعی از سرعت و مسافت قطار بدست می آید:
(16-1) a=fa (x,v)
در نتیجه می توان با استفاده از رابطه (16-1) معادلات حالت حرکتی قطار را د رناحیه بصورت زیر بیان کرد:
(17-1) dx/ dt = v
(18-1) dv/dt = fa (x,v) حال که روش کلی حل معادلات حرکتی قطار در هر ناحیه بیان شد، به برسی مشخصات دینامیکی و حرکتی قطار در هر ناحیه از منحنی سرعت بر حسب زمان می پردازیم .
شکل (4-1) منحنی های سرعت بر حسب زمان و نیروی محرک بر حسب سرعت قطار
ناحیه 1 از لحظه to تا t1 :
این قسمت از منحنی را ناحیه شتابگیری ( Acceleration ) می نامند . زیرا در این ناحیه نیروی محرک زیاد و بطور تقریباً ثابتی به قطار اعمال می شود. در این حالت چون نیروی مقاوم به علت سرعت کم قطار ، کوچک است، با شتاب تقریباً ثابتی افزایش می یابد. در نتیجه، توان الکتریکی موتورهای کششی درحال افزایش خواهد بود.
ناحیه 2 از لحظه t1 تا t2 :
این قسمت از منحنی را ناحیه توان ثابت (Constant Power) می نامند. زیرا مطابق شکل (4-1)، مقدار نیروی محرک بتدریج با افزایش سرعت کاهش می یابد ، بنحویکه توان الکتریکی موتورهای کششی تقریباً ثابت بماند.
ناحیه 3 از لحظه t2 تا t3 :
این قسمت از منحنی را ناحیه سرعت ثابت ( Constant Velocity ) می نامند. زیرا در این حالت، کاهش نیروی محرک تا جایی ادامه یافته که مجموع نیروی های اعمال شده به قطار صفر شده است . در این حالت ، سرعت قطار ثابت بوده و توان الکتریکی موتورهای قطار نیز ثابت خواهد بود ،این ناحیه، معمولاً در خطوط راه آهن بین شهری وجود داشته و در خطوط راه آهن حومه شهری که فاصله بین ایستگاهها در حدود 3 تا 5 کیلومتر است ، وجود ندارد.
ناحیه 4 از لحظه t3 تا t4 :
این قسمت از منحنی را ناحیه خلا صی (Coasting ) می نامند. زیرا در این حالت، قطار بدون در یافت توان الکتریکی از شبکه به حرکت خود ادامه می دهد و بنابر این، تنها نیروی مقاوم به قطار اعمال می شود .اگر چه استفاده از ناحیه خلاصی موجب صرفه جویی در مصرف انرژی الکتریکی می شود ، ولی در مقابل زمان بیشتری برای حرکت قطار در مسیر صرف خواهد شد. بهمین دلیل ، برای ارزیابی مدت زمان خلاصی قطار ، شاخصی را بنام زمان ذخیره ( Reserve Time ) تعریف می کنند که بدین صورت بیان می شود:
فرض کنید در یک مسیر ، دو ایستگاه به فاصله D از یکدیگر قرار گیرند و tmin حداقل زمان لازم برای حرکت قطار بین دو ایستگاه باشد، بنحویکه در این مدت قطار از حالت خلاصی استفاده نکند. همچنین tc زمان لازم برای حرکت قطار بین همان دو ایستگاه بشرط استفاده از حالت خلا صی باشد. در این صورت ، زمان ذخیره R . T به این صورت می تواند باشد:
(19-1) [ S/Km ] T.R= ( tc-tmin)/D
در عمل با مصالحه بین مدت زمان ذخیره و مقدار انرژی مصرفی قطار ، مقدار بهینه ای برای مدت زمان خلاصی قطار بدست می آورند.
ناحیه 5 از لحظه t4 تا t5 :
این قسمت از منحنی را ناحیه ترمز گیری ( Braking) می نامند. زیرا در این حالت، نیروی ناشی از اعمال ترمزها به همراه نیروی مقاوم در خلاف جهت حرکت قطار هستند و باعث ایجاد یک شتاب کند کننده تقریباً ثابت می شوند ، بنحویکه در مدت کوتاهی قطار از حرکت می ایستد.
1-2) تعیین مشخصات موتورهای کششی
در این قسمت مشخصات کلی موتورهای الکتریکی بکار رفته در لکوموتیو، صرفنظر از نوع آن و با توجه به ویژگیهای حرکتی بیان شده برای قطار در قسمت قبل ، مورد بررسی قرار می گیرد.
1-2-1) مشخصه گشتاور – سرعت موتورهای الکتریکی
همانطور که می دانید، نیروی محرک قطار توسط انتقال حرکت دورانی محور موتورهای الکتریکی به وسیله چرخ دنده ها به چرخ قطار صورت می گیرد بنابر این با دانستن تبدیل چرخ دنده ها ( Gear Ratio ) G و شعاع چرخهای قطار r ، می توان ارتباط بین نیروی محرک قطار F با گشتاور الکتریکی موتورهای آن T و همچنین سرعت حرکت قطار V با سرعت زاویه ای موتورهای آنرا مطابق معادلات زیر بدست آورد:
(20-1) F= T/(G.r )
(21-1) .(G.r ) V=
بنا بر این با توجه به شکل (1-1) و رابطه (20-1) و (21-1) منحنی گشتاور الکتریکی بر حسب سرعت هر موتور را می توان بصورت شکل (5-1) نمایش داد. همانطور که مشاهده می شود این منحنی نیز دارای دو ناحیه کاری است . در ناحیه اول گشتاور الکتریکی زیاد و بطور تقریباً ثابتی از ابتدای راه اندازی تا سرعتی در حدود دور نامی موتور وجود دارد. در ناحیه دوم و در بالاتر از دور نامی موتور ، گشتاور الکتریکی موتور با افزابش سرعت کاهش می یابد، بنحویکه حاصلضرب آنها که همان توان الکتریکی موتور است ثابت بماند. بنابراین یک موتور کششی باید درمحدوده وسیعی از راه اندازی تا حدود دو برا بر سرعت نامی کنترل شود. ضمن آنکه باید دارای گشتاور راه اندازی بالایی باشد.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل (5-1) منحنی گشتاور الکتریکی بر حسب سرعت موتور
از طرفی همانطور که بیان شد موتورهای ا لکتریکی در حا لت ترمزگیری قطار ، به ژنراتور تبدیل می شوند تا انرژی خود را تلف کرده و یا به شبکه باز گردانند. شکل(6-1) منحنی گشتاور بازدارنده الکتریکی را بر حسب سرعت نشان می دهد.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل (6-1) منحنی گشتاور باز دارنده الکتریکی بر حسب سرعت
همانطور که می بینید این منحنی دارای سه ناحیه کاری است . در ناحیه اول در بالاتر از دور نامی ژنراتور، گشتاور مقاوم با کاهش سرعت ،افزایش می یابد بنحویکه حاصلضرب آنها که توان الکتریکی ژنراتور است ثابت بماند. باید توجه داشت در بعضی مواقع که ماشین قادر به تحمل ولتاژ وتوان الکتریکی بالاتر از مقدار نامی است با استفاده از مدار های مناسب توانسته اند ، گشتاور الکتریکی ماشین را در حالت ژ نراتوری ودر ناحیه اول ثابت نگه دارند ،این حالت به وسیله خط چین در شکل (6-1) نشان داده شده است .
در ناحیه ی دوم ، گشتاور الکتریکی مقاوم زیاد و به طور ثابتی بین دور نامی موتور تا حدود ده درصد دور نامی آن وجود دارد .
در ناحیه سوم ، که دور موتور کم است گشتاور الکتریکی مقاوم با افت سرعت کاهش می یابد،تا به مقدار صفر برسد. بنابراین یک موتور کششی در حالت ژنراتوری نیز باید در محدوده وسیعی از سرعت کنترل شود.
1-2-2) عملکرد موازی
از آن جائیکه در سیستم حمل و نقل ریلی معمولاً چندین موتور کششی از یک ومنبع برق رسانی تغذیه می شوند، بنابراین باید بتوانند بصورت موازی بایکدیگر کار کنند ، بنحویکه اگر اختلاف جزئی در سرعت گردش موتور ها (مثلاً به اختلاف قطر چرخهای لکوموتیو ) بوجود آمد، تفاوت زیادی بین گشتاور الکتریکی ویا جریان بار کشیده شده توسط موتور از منبع تغذیه ایجاد نشود .
1-2-3) نوسانهای ولتاژ
از آنجا که ولتاژ تغذیه کنده ی موتورهای الکتریکی بدلیل جابجائی قطار و افت ولتاژ خطوط برق رسانی تغییرات و نوسانات زیادی دارد، بنابراین لازم است موتورهای کششی و یا مدارهای کنترل آنها را در مقابل این نوسانات مقاوم باشند.
1-2-4)محدودیت وزن وحجم
همانطور که می دانید برای یک توان ثابت هر چه وزن موتورکششی بیشتر باشد،انرژی بیشتری برای بحرکت در آوردن لکوموتیو لازم است و از آنجا که تعداد موتورهای کششی در سیستم های حمل و نقل شهری زیاد است بنابر این باید نسبت توان الکتریکی به وزن موتورها تا حد ممکن افزایش یابد . همچنین همانطور که می دانید در هر لکوموتیو هر چه فضای بیشتری وجود داشته باشد مقدار کالا یا مسافر بیشتری جابجا می شود بنابر این باید موتورها و مدارهای کنترل آنهادارای حجم کمی باشند.
فصل دوم:
موتورهای تراکشن جریان مستقیم
تاریخچه سیستم های حمل و نقل الکتریکی DC
پس از آنکه ورنر زیمنس (Werner Von Siemens) در سال 1866 موفق به اختراع ژنراتور الکتریکی و در نتیجه تولید توان الکتریکی از نظر اقتصادی شد، ایده استفاده از توان الکتریکی در حمل و نقل برقی در ذهنش درخشید.
برای اولین بار در 31 می 1879 اولین لکوموتیو جریان مستقیم در شهر برلین با قدرت 2/2 کیلو ولت ولتاژ 150 ولت برای مسیری بطول 300 متر مورد بهره برداری قرار گرفت.
از سال 1892، جریان مستقیم با ولتاژ 600 ولت برای سرویس دهی به سیستم های حمل و نقل شهری تشخیص داده شد. پس از آن با تولید جریان متناوب برای اولین بار در سال 1928 اولین سیستم یکسوساز چرخشی (Rotary Rectifier) مورد استفاده قرار گرفت و در سال 1960 برای اولین بار از یکسوسازهای سیلیکونی بهره جستند.
در سال 1965 برای اولین بار در مونیخ از سیستمی با سرعت 200 کیلومتر بر ساعت با روش کنترل CATC (Continuous Automatic Train Control) استفاده شد. ولتاژ جریان مستقیم 600 ولت توسط یک چاپر تریستوری تغذیه می شد. و در سال 1984 از تعداد 165 لکوموتیو با کلاس مشخصه (107) 7E با سیستم کنترل چاپر و ولتاژ 3000 ولت جریان مستقیم برای سرویس حمل و نقل در آفریقای جنوبی استفاده شد که هم اکنون مشغول سرویس دهی می باشد.
همانطور که در فصل قبل بیان شد، موتورهای الکترکی مورد استفاده در صنعت حمل و نقل ریلی باید ویژگی های خاصی را داراباشند. از طرفی موتورهای جریان مستقیم بر حسب نوع اتصال بین مدار آرمیچر و میدان به سه دسته تحریک موازی، تحریک مجزا و تحریک سری تقسیم می شوند. در زیر به بررسی و مقایسه رفتار این موتورها برای کار در سیستم های حمل و نقل ریلی بویژه سیستمهای سریع حمل و نقل درون شهری (Rapid Transit) می پردازد.
2-2) موتور جریان مستقیم با تحریک موازی
بطور خلاصه موتورهای تحریک موازی برای کاربردهای کششی در صنعت حمل و نقل مناسب نیستند. بهمین دلیل بدون ذکر معادلات موتور تحریک موازی، تنها بدلایل عدم استفاده از این نوع موتور اشاره می کنیم:
شکل (1-2) مشخصه گشتاور الکتریکی T و جریان آرمیچر Ia را بر حسب سرعت یک موتور تحریک موازی نمونه نشان می دهد. همانطور که می بینید این موتور برای عملکرد در سرعت ثابت مناسب است در حالیکه موتورهای کششی باید در رنج وسیعی کنترل پذیر باشند. همچنین مشخص است که اگر این موتورها با هم موازی شوند. تغییر کوچکی در سرعت (که می تواند بعلت اختلاف قطر چرخ های قطار باشد) باعث تغییر زیادی در جریان یا گشتاور الکتریکی موتورهای فوق می شود . بعبارت دیگر موتورهای جریان مستقیم با تحریک شنت قادر به عملکرد موازی با یکدیگر نیستند.
در این موتورها بعلت تأثیر پذیری جریان تحریک بوسیله ولتاژ اعمالی به موتور، هارمونیکهای ولتاژ خط تأثیر قابل ملاحظه ای بر روی مقدار گشتاور الکتریکی می گذارد. بعبارت دیگر حساسیت گشتاور الکتریکی به تغییرات ولتاژ ورودی در موتورهای تحریک موازی زیاد است.
از آنجا که سیم پیچ میدان موتور با تحریک موازی دارای جریان ثابتی است، بنابراین افزایش گشتاور فقط باعث افزایش جریان آرمیچر می شود. بنابراین برای یک افزایش گشتاور معین، جریان کشیده شده بوسیله موتور تحریک موازی بیشتر از جریان کشیده شده از موتور تحریک سری مشابه است.
(شکل در فایل اصلی موجود است)
شکل (1-2) مشخصه گشتاور الکتریکی و جریان آرمیچر بر حسب سرعت موتور تحریک موازی
بطور کلی موتور تحریک موازی دارای جریان تحریک کمی است و بهمین دلیل گشتاور راه اندازه کمتری نسبت به موتور تحریک سری مشابه دارد.
بنابراین چنانچه ملاحظه می کنید مشخصات موتورهای تحریک موازی با ویژگی های موتورهای کششی که در فصل قبل بیان شد متفاوت بوده و در سیستم های حمل و نقل ریلی استفاده نمی شوند.
2-3) موتورهای جریان مستقیم با تحریک مجزا
بطور کلی موتورهای تحریک مجزا بدلیل جدا بودن مدار آرمیچر و میدان دارای قابلیت کنترلی بسیار مناسب و ساده ای هستند و تنها عاملی که سبب محدودیت استفاده از این موتورها در صنعت حمل و نقل ریلی شده است، گشتاور راه اندازی پائین آنها در مقایسه با موتورهای تحریک سری می باشد که دلیل آن ضعیف بودن سیم پیچی میدان موتورهای تحریک مجزا نسبت به موتورهای تحریک سری است. از طرفی برای جبران این عیب در موتورهای تحریک مجزا، نوع خاصی از اینگونه موتورها برای عمل کشش در متروها طراحی شده است که از نظر ساختمان، مشابه موتورهای تحریک سری بوده و دارای سیم پیچی میدان ضخیم تری نسبت به موتورهای معمولی است بنحویکه جریان آرمیچر و جریان تحریک این نوع جدید موتور، درست همانند یک موتور تحریک سری می باشد، بدیهی است که چنین مشخصاتی باعث افزایش گشتاور راه اندازی موتورهای جدید در حد یک موتور سری خواهد شد.