Locomotiva electrică

Tren electric de la Siemens & Halske la târgul din Berlin din 1879
E-locomotive ale DB, ÖBB și SBB din Buchs
Locomotivă electrică multi-sistem modernă
Mtab IORE sunt printre cele mai puternice locomotive electrice din lume
Locomotiva muzeală E 94 construită în 1942

Locomotivele electrice ( locomotive electrice scurte sau locomotive electrice , învechite: locomotive electrice ) sunt tractoare acționate electric . Spre deosebire de vagoanele electrice , ele însele nu suportă nicio sarcină utilă (pasageri, bagaje sau bunuri).

Unitatea lor este pur electrică, spre deosebire de locomotivele diesel-electrice sau cu abur-electrice , de exemplu . Locomotivele electrice beneficiază de eficiența ridicată a motoarelor electrice, care este adesea peste 90% (eficiența mai mică a generării de energie nu este luată în considerare). Cu frânarea regenerativă, energia cinetică poate fi recuperată și alimentată înapoi în rețea ca electricitate, ceea ce îmbunătățește eficiența generală.

Principalul dezavantaj al operațiunilor feroviare electrice este costul ridicat al alimentării și al alimentării cu energie electrică: linii aeriene, stații etc.

Privire de ansamblu

Pantograf cu o singură șină
Cabina șoferului unei vechi locomotive electrice ( E 44 )
Cabina șoferului unei locomotive electrice moderne (rusă 2EV120)

Locomotivele electrice sunt alimentate cu energie din liniile aeriene dispuse deasupra căii sau, mai rar, din bare de bare , care este transmisă vehiculului de la pantografele situate pe acoperiș sau pe partea laterală a trăsurii, în cazul barelor de bare . Aceasta înseamnă că energia necesară nu trebuie transportată în vehicul, cum este cazul locomotivelor cu abur și motorină.

Alimentarea electrică externă are avantajul că locomotivele electrice în sine nu emit gaze de eșapament, ci dezavantajul că pot fi utilizate numai acolo unde există o sursă de alimentare. De asemenea, este un avantaj faptul că motoarele electrice dezvoltă un cuplu complet la pornire, spre deosebire de locomotivele diesel, în care cuplul se acumulează lent la pornire. Acest lucru permite locomotivelor electrice să accelereze mai repede sau să tragă un tren ceva mai greu decât locomotivele diesel și cu abur. Deoarece, desigur, modul în care este generată energia electrică nu afectează locomotivele electrice, locomotivele electrice răspândindu-se mai întâi în țări și regiuni unde utilizarea energiei electrice de ex. B. Centralele hidroelectrice sunt mult mai ieftine decât utilizarea cărbunelui sau motorinei. Elveția, Austria și Suedia sunt țările în care se aplică această cerință. Accelerarea mai bună și raportul mai bun dintre putere și masă, precum și probleme cu gazele de eșapament din tuneluri au contribuit, de asemenea, la o răspândire anterioară a acționării electrice în aceste țări montane.

Unele tipuri de trenuri electrice sunt vagoane cu energie electrică conduse pentru a fi sau circula în fața și / la sfârșitul trenului și niciodată deconectate în timpul funcționării normale a vagonului. Din punct de vedere tehnic, acestea sunt în mare parte locomotive electrice. Singura diferență este echipamentul cu o singură cabină șofer și dispozitivele de cuplare și tranziție la autovehiculele intermediare cu mai multe unități. Exemple de unități electrice electrice moderne cu mai multe unități sunt primele două generații ale ICE (ICE 1 și ICE 2), unitățile multiple spaniole din seria 102 și 130 , prima serie a trenurilor S-Bahn din Zurich și trenurile TGV franceze . Cu acestea din urmă, însă, în unele serii (TGV Sud-Est, Eurostar ) este condus și primul boghiu al mașinii intermediare care circulă direct în spatele capătului de putere.

Exemple de construcții moderne de locomotive electrice sunt Bombardier TRAXX , Siemens Vectron și Alstom Prima .

istorie

Locomotiva cu baterie a lui Charles Page (1851)
Trenul electric cu transport electric City and South London Railway (1890)
Locomotiva mea în Godbrange, Franța, 1897
  • O cale ferată electrică experimentală timpurie este atribuită lui Thomas Davenport , un fierar din Vermont, SUA . În 1835 a demonstrat un mic model de vagon de cale ferată alimentat de un motor electric.
  • Robert Davidson, un scoțian din Aberdeen , ar fi construit o locomotivă electrică în 1838 care a atins o viteză de patru mile pe oră.
  • Agentul de brevete american Charles Grafton Page (1812–1868) a început să construiască o locomotivă electrică în 1850. Motorul său cu „piston” de 15 kilowați consta din două bobine cu ancore de tijă încorporate. Acestea au fost mutate înainte și înapoi prin pornirea alternativă a bobinelor ca într-un motor cu abur cu piston . Această mișcare a pistonului a fost transmisă roților motoare ale unei mașini cu trei axe cu bielă.
  • În 1840, Johann Philipp Wagner, care s-a născut în Fischbach, lângă Bad Schwalbach, avea o mașină mică condusă de un motor electric cu o remorcă pe un cerc de șine cu o circumferință de 20 de metri. Apoi a fost însărcinat să construiască o mare locomotivă „acționată electromagnetic” funcțională și o sumă de 100.000 de florini i-au fost puse la dispoziție pentru aceasta. Cu toate acestea, implementarea a eșuat, presupus din cauza lipsei de cunoștințe despre relația dintre capacitatea bateriei și puterea unității.
  • Compania Werner Siemens a construit în 1879 pentru Locomotiva electrică biaxială din Târgul din Berlin , care putea trage trei mașini, fiecare cu șase persoane pe un circuit de 300 de metri. Este considerată a fi prima locomotivă electrică practică.
  • În majoritatea căilor ferate electrice comerciale timpurii au fost folosite primele vagoane de tip tramvai, cum ar fi în 1881 când de la Siemens & Halske au construit prima oară tramvaiul electric către principala academie militară din Gross-Lichterfelde lângă Berlin, în 1895, a pus în funcțiune prima electrică germană calea ferată standard Meckenbeuren-Tettnang în fostul Regat Württemberg și alte căi ferate.
  • Prima locomotivă electrică care a fost utilizată continuu a fost locomotiva de mină „Dorothea” , fabricată de Siemens & Halske în 1882 pentru Zauckerode Royal Coal Works . A intrat în funcțiune pe 25 august 1882, pe o lungime de șină de 620 metri, și a funcționat acolo până în 1927. Aici s-a câștigat experiență printre altele. cu diferite pantografe și rezistențe de pornire.
  • Începând cu 1890, locomotivele electrice au fost folosite la o scară remarcabilă pe metroul din Londra. Mai presus de toate, spațiul limitat al profilului tunelului a forțat abandonarea vagonului și pretensionarea vehiculului într-un vehicul separat în capul trenului. Railway City și Londra de Sud utilizate primele trenuri cu propulsie electrică cu locomotive. Până în 1935, metroul din Londra circula cu locomotive.
  • În 1895 a intrat în funcțiune prima locomotivă electrică cu gabarit standard. Locomotiva, construită de General Electric , a fost utilizată de Baltimore și Ohio Railroad pentru a transporta trenurile de călători prin tunelul orașului Baltimore . Nu s-ar putea folosi locomotive cu abur pe această cale din cauza neplăcerilor cauzate de fum.
  • 1901–1903 societatea de studiu pentru trenurile expres electrice a efectuat teste de mare viteză pe calea ferată militară Marienfelde - Zossen - Jüterbog . Curentul trifazic necesar a fost alimentat vehiculelor printr-o linie aeriană cu trei poli . O unitate electrică multiplă AEG a atins o viteză de 210,2 km / h pe 28 octombrie 1903, recordul pentru vehiculele terestre care nu a fost doborât timp de 28 de ani.
  • 1902 Deschiderea operațiunii în trei faze de către Rete Adriatica pe calea ferată Valtellina din nordul Italiei. Aceasta este prima linie principală electrică din lume. Locomotivele au venit de la Ganz din Budapesta .
  • În 1903 calea ferată minereu Chemin de fer de La Mure începe funcționarea electrică. Puterea de curent continuu este locomotiva cu aranjamentul modern al roții Achsfolge furnizat printr-o linie de contact bipolară cu +1200 volți și -1200 volți. Calea ferată nu a fost trecută pe linia normală de contact cu 2400 volți până în 1950.
  • În 1904, Stubaitalbahn cu ecartament îngust de la Innsbruck la Fulpmes a intrat pe deplin în funcțiune ca primul tren AC monofazat din lume (3000 volți 50 Hz).
  • În 1905, Ammergaubahn a pus în funcțiune primele unități multiple de curent alternativ monofazate ( LAG 674-677 ) și câteva săptămâni mai târziu, prima locomotivă ( LAG 1 , mai târziu seria E 69 a Deutsche Reichsbahn ). Tensiunea a fost de 5,5 kilovolți 16⅔ Hz. Trecerea la tensiunea obișnuită de 15 kilovolți nu a avut loc decât în ​​1950.
  • Din 1905 până în 1909, tensiunea de 15 kilovolți a fost utilizată pentru prima dată la instalația de testare a curentului alternativ monofazat din Seebach-Wettingen din Elveția. La începutul acestor teste, 15 kilovolți au fost folosiți la 50 Hz. În locomotivă a fost utilizat un convertor rotativ pentru a converti curentul alternativ de la linia de contact în curent continuu. Motoarele de tracțiune au fost acționate cu aceasta. În cursul următor al operației de test, frecvența a fost redusă la 15 Hz. Acest lucru a făcut posibilă renunțarea la convertor, iar motoarele de șină erau operate cu curent alternativ. În plus, defecțiunile din rețeaua telefonică au fost remediate.
  • În 1906, operația în trei faze a fost începută pe ruta prin tunelul Simplon .
  • În 1907, Hamburg-Altonaer Stadt- und Vorortbahn (astăzi S-Bahn) a fost deschis la Hamburg cu curent alternativ monofazat de 25 Hz și 6300 volți
  • În 1907, calea ferată Maggia Valley a început să funcționeze în sudul Elveției, cu 5 kilovolți și 20 Hz. Motoarele vagoanelor BCFe 4/4 au fost operate direct cu curent alternativ, pe baza exemplului traseului de testare Seebach - Wettingen.
  • În 1910, Berner Alpenbahn-Gesellschaft Bern - Lötschberg - Simplon (BLS) și-a deschis ruta de test Spiez - Frutigen cu 15 kilovolt 15 Hertz, vezi BLS F 2x3 / 3 .
  • 1911 austriaca Mariazellerbahn începe operarea electrică cu 6,5 kilovolt 25 Hz.
  • 1911 Deschiderea operațiunilor pe linia Dessau - Bitterfeld. Prima cale ferată electrică cu linie completă din Germania, inițial cu 10 kilovolți și 15 Hz.
  • În 1912, Mittenwaldbahn, format din Karwendel și Ausserfernbahn, a fost pus în funcțiune de la Innsbruck la Reutte în Tirol ca prima cale ferată austriacă cu linie completă cu 15 kilovolți și 15 Hz. Odată cu electrificarea Arlbergbahn , frecvența rețelei a crescut la 16⅔ Hertz.
  • În acordul privind un sistem comun de curent de tracțiune din 1912 , Germania, Austria, Elveția, Suedia și Norvegia au convenit asupra unui sistem comun de curent de tracțiune cu o tensiune de 15 kilovolți și o frecvență de 16⅔ Hertz.
  • 1913 Începerea funcționării electrice continue pe calea ferată Bern-Lötschberg-Simplon (BLS) cu 15 kilovolt 16⅔ Hertz.
  • În același an, calea ferată retică și-a deschis linia Engadine cu 16⅔ Hertz, dar cu o tensiune de 11 kilovolți.
  • 1914 Deschiderea Pressburger Bahn cu 15 kilovolt 16⅔ Hertz pe ruta terestră.
  • Primul Război Mondial a oprit progresul. 1920 Începerea funcționării electrice pe calea ferată Gotthard . Electrificarea acestei rute a fost necesară pentru ca Elveția să devină mai puțin dependentă de importurile de cărbune din țările vecine în perioadele de criză.

Piesă electrică

Circuitul principal

Toate cablurile și dispozitivele care transmit și influențează energia electrică a unei locomotive electrice fac parte din circuitul principal. În funcție de locomotivă, circuitul principal poate fi împărțit în circuitul de înaltă tensiune (numit și circuitul de înaltă tensiune) și circuitul motorului. Separarea dintre cele două circuite este, în general, principalul transformator la locomotivele de curent alternativ. Deoarece locomotivele curate de curent continuu nu au un transformator, o separare exactă între circuitele de înaltă tensiune și cele de motor nu este adesea posibilă cu aceste locomotive.

Circuit de înaltă tensiune

Circuitul de înaltă tensiune este traversat de curent de înaltă tensiune de la linia de contact. De regulă, următoarele dispozitive și cabluri fac parte din circuitul de înaltă tensiune al locomotivelor de curent alternativ:

Locomotivele de curent continuu au o structură similară în circuitul de înaltă tensiune, dar fără transformatorul principal. În plus, întrerupătoarele principale de pe locomotivele de curent continuu sunt uneori numite întrerupătoare de mare viteză. Dispozitivele utilizate în locomotivele de curent alternativ diferă în detaliu de cele din locomotivele de curent continuu. Acest lucru se datorează, printre altele, faptului că tensiunea nominală în rețelele de curent continuu este de obicei semnificativ mai mică decât în ​​rețelele de curent alternativ și, prin urmare, curenții sunt semnificativ mai mari pentru aceeași putere. Secțiunile transversale care transportă curentul trebuie dimensionate în mod corespunzător mai mari. Cu locomotivele de curent alternativ, totuși, trebuie menținute distanțe mai mari datorită tensiunii mai mari pentru a preveni trecerea rapidă .

Circuitul motorului

Curentul care este alimentat către motoarele de tracțiune circulă prin circuitul motorului. În cazul locomotivelor de curent alternativ, acestea includ: următoarele cabluri și dispozitive:

  • Înfășurarea secundară a transformatorului principal
  • Controlul puterii
  • Izolator motor de deplasare
  • Inversor de direcție
  • Motor de tractiune

În locomotivele de curent continuu, circuitul de înaltă tensiune este de obicei conectat direct la comanda de putere.

Conducerea și controlul puterii

În cazul locomotivelor electrice, controlul puterii înseamnă influențarea sau controlul forței tractoare, forței de frânare, vitezei și direcției de deplasare.

Direcția de control al deplasării

În cazul locomotivelor electrice cu motoare comutatoare , polaritatea câmpului standului motorului de tracțiune este inversată folosind un inversor pentru a schimba direcția de deplasare . La utilizarea motoarelor trifazate, direcția de rotație a câmpului rotativ trebuie schimbată pentru a schimba direcția de deplasare.

Controlul vehiculului în vehiculele DC

Locomotiva de curent continuu BB 9004 a SNCF a condus viteza record de 331 km / h în 1955
Conduceți cu motoare de serie

La motoarele de acționare în serie , rezistențele (rezistențele de pornire ) erau conectate în amonte la pornire , care erau scurtcircuitate în etape cu un mecanism de comutare. Atâta timp cât rezistențele din serie sunt pornite, o parte din energia din locomotivă este transformată în căldură, ceea ce face ca funcționarea să fie neeconomică. Următorii pași de viteză rezultă din utilizarea slăbirii câmpului . Înfășurarea câmpului este parțial scurtcircuitată, astfel încât motorul de tracțiune poate atinge viteze mai mari pe măsură ce cuplul scade. La vehiculele cu mai multe motoare, există posibilitatea unui control gros și fără pierderi al motoarelor de tracțiune prin circuite de grupare. În acest scop, acestea sunt conectate în serie sau serie la viteze mici și conectate în paralel la viteze mai mari . Diferitele opțiuni de comutare cu patru sau șase motoare de antrenare duc la un număr semnificativ mai mare de niveluri de viteză fără pierderi.

În loc de aceste controale pas cu pas, în prezent sunt utilizate comenzile elicopterului în locul rezistențelor din serie , care permit controlul puterii aproape fără pierderi. Alte avantaje sunt eliminarea uzurii comutatoarelor. Controlul elicopterului pornește și oprește tensiunea de funcționare cu un ritm în gama de frecvențe joase. Dacă tensiunea este oprită, curentul continuă să curgă printr-o altă ramură de comutare care scurtcircuitează motorul din cauza inductanței motorului. De umplere ( puls lățime de modulare ) a comutatorului determină curentul. Funcționarea elicopterului are ca rezultat pierderi puțin mai mari în motor ( pierderi de fier ), iar izolația este mai puternic stresată din cauza salturilor de tensiune.

Acționat de motoare trifazate

Electronica de putere a făcut posibilă conversia curentului continuu extras din rețea într-un curent trifazat variabil de tensiune și frecvență. Acest lucru a făcut posibilă utilizarea motoarelor trifazate, care pot dezvolta cupluri mari chiar și la viteze mici. Motoarele trifazate necesită o întreținere mai mică decât motoarele cu curent continuu și nu există uzură a periilor. În funcție de tensiunea firului de contact, se folosesc convertoare de tracțiune cu elicopter DC, circuit intermediar și invertor sau curentul continuu preluat din rețea este convertit direct în curent trifazat de invertor.

Controlul vehiculului în vehicule de curent alternativ

Conduceți cu motoare de serie
În instalația de testare Seebach - Wettingen din Elveția, a fost demonstrată adecvarea curentului alternativ monofazat cu tensiune ridicată pentru funcționarea feroviară pe distanțe mari.

Motoarele monofazate din serie pot fi utilizate în locomotive electrice pentru curent alternativ cu frecvențe joase, cum ar fi 16,7 Hz . Tensiunea motoarelor de tracțiune este reglată de un întrerupător în trepte pe transformatorul principal (tablou de comutare). Acesta constă dintr-un comutator de acționare cu ajutorul căruia robinetele individuale de pe bobinele transformatorului pot fi controlate manual sau prin comutatoare electromecanice. Mecanismul de comutare este de obicei dispus pe partea de joasă tensiune a transformatorului pentru a putea folosi mai bine acesta. De asemenea, curenții mari pot fi comutați mai bine decât tensiunile mari.

Când se utilizează curent alternativ cu frecvențe de 50 Hz sau 60 Hz, deoarece acestea sunt utilizate și în rețeaua națională de alimentare, utilizarea motoarelor monofazate din serie este greu posibilă din cauza focului de perii. Curentul este convertit în curent continuu de un redresor . Motoarele de tracțiune erau motoare cu curent de arbore sau motoare cu curent mixt , care trebuiau special concepute pentru prelucrarea curentului continuu ondulant. În special, acestea trebuiau să aibă miezuri statorice laminate; întrucât acesta este cazul oricum, distincțiile sunt omise.

În locul mecanismului de comutare, controlul de fază poate fi utilizat și pentru reglarea tensiunii motorului de tracțiune . Această tehnologie permite controlul infinit variabil, dar la început a provocat probleme din cauza spectrului de frecvență de interferență mai mare al curenților de linie aeriană comparativ cu locomotivele schimbătorului de robinet , care au dus la interferențe în sistemele de semnalizare. În prezent, convertoarele pot fi utilizate și în funcționare cu patru cadrane ( frânare înainte, inversă, regenerativă ) și alimentează energia de frânare în rețeaua regenerativă, care este furnizată de motorul care funcționează ca generator.

Acționat de motoare trifazate
E2e de Burgdorf - Thun feroviar au fost din lume primele locomotive cu trei faze de funcționare full-line.

Motoarele de tracțiune asincrone cu rotori cu inel de alunecare au fost utilizate în general pentru locomotive care trag curent trifazat de pe linia de contact . Controlul puterii a fost efectuat prin pornirea unor rezistențe suplimentare în circuitul rotorului, care au fost scurtcircuitate treptat la pornire, precum și prin comutarea numărului de poli ai motoarelor folosind circuitul Dahlander . Aceasta însemna că erau posibile doar două sau patru niveluri de viteză economice.

Locomotivele electrice de astăzi utilizează electronice moderne de putere, economisitoare de energie. În vehiculele de curent alternativ, un transformator cu un raport de transformare fix este dispus în fața convertorului, care setează tensiunea la o valoare mai mică și o ajustează la diferitele tensiuni nominale ale sistemelor de curent alternativ. Aveți un singur transformator cu câteva robinete fixe la care sunt conectați convertoarele de tracțiune (de obicei unul pe bogie sau unul pe motorul de acționare). Acestea convertesc curentul alternativ monofazat furnizat într-un curent alternativ trifazat cu o frecvență variabilă, care alimentează motoarele de tracțiune trifazate fără comutator și cu întreținere redusă.

Controlul conducerii vehiculelor cu mai multe sisteme

Locomotivele multi-sistem pot funcționa pe diferite sisteme de curent de tracțiune. Acest lucru permite traficul transfrontalier fără schimbări de locomotive care consumă mult timp. Diferite tensiuni pot fi tratate în rețelele de curent alternativ cu conexiuni multiple pe partea primară a transformatorului principal. În trecut, motoarele de curent continuu sau de curent mixt erau adesea folosite ca motoare de tracțiune cu frecvențe de rețea diferite și / sau atunci când circulau în rețele de curent alternativ și continuu . Curentul alternativ de joasă tensiune generat de transformator a fost convertit cu ajutorul unui redresor .

Locomotivele multi-sistem de astăzi utilizează electronice moderne de putere. Indiferent de tipul de curent utilizat, energia furnizată pe vehicul este transformată în curent alternativ trifazat și alimentată la motoare de tracțiune asincrone .

Frânare electrodinamică

În plus față de frânele mecanice, multe locomotive electrice își folosesc motoarele de tracțiune ca generator la frânare. Dacă energia generată este transformată în căldură prin așa-numitele rezistențe de frânare, aceasta este denumită frână de rezistență . Dacă energia electrică este readusă în rețeaua de rute, aceasta se numește frânare regenerativă . Condiția prealabilă pentru aceasta este o rețea capabilă să primească informații, adică H. energia electrică generată trebuie consumată de un alt consumator în aceeași secțiune de alimentare . Alternativ, alimentarea cu energie a secțiunii de alimentare trebuie să poată transmite energia electrică către o altă secțiune de alimentare sau să o alimenteze în rețeaua electrică publică .

Auxiliare

Auxiliare sunt dispozitive de pe locomotive electrice care sunt utilizate pentru alimentarea sistemului electric de la bord, pentru stocarea energiei electrice ( acumulator ), pentru alimentarea cu aer comprimat ( compresor de aer ) și pentru răcirea sistemelor (ventilatoare, pompe).

Pentru alimentarea sistemului electric de la bord, locomotivele electrice sunt de obicei echipate cu un convertor separat ( convertor auxiliar ) care alimentează sistemele auxiliare conectate cu curent alternativ trifazat. În locomotivele cu curent continuu, acest convertor este adesea alimentat cu energie electrică direct prin linia de contact; Locomotivele de curent alternativ sunt alimentate de obicei prin intermediul propriului robinet de transformare. Frecvența de ieșire a convertorului auxiliar de putere este reglementată în funcție de cerințele de putere ale sarcinilor conectate la acesta. În locomotivele mai vechi, auxiliarii erau alimentați direct de rețeaua de curent de tracțiune (în special pentru vehiculele de curent continuu), de transformatorul principal (pentru vehiculele de curent alternativ) sau de un convertor rotativ .

În plus față de sistemul electric auxiliar, locomotivele electrice sunt echipate cu acumulatori care garantează o alimentare cu energie independentă de linia de contact. Acestea furnizează circuite de control importante, circuitul de conducere de siguranță, sistemele de control al trenului, semnalul și iluminatul interior al vehiculului, compresorul de aer auxiliar și, în unele vehicule cu frâne electrodinamice care sunt independente de firul de contact, ventilatorul rezistenței la frână. Acumulatorii sunt încărcați de un încărcător , care la rândul său este alimentat de la sistemul electric auxiliar, de la un robinet de transformator adecvat sau de la un convertor separat. Tensiunile nominale tipice ale bateriei sunt, de exemplu, 24, 48 sau 110 V în Europa și 72 V în SUA.

Pentru a asigura alimentarea cu aer comprimat, locomotivele electrice sunt echipate cu compresoare de aer (cunoscute și sub numele de compresoare de aer sau compresoare). Aceasta alimentează frânele cu aer comprimat , dispozitivele pneumatice ale vehiculului și dispozitivele pneumatice ale trenului de vagoane cu aer comprimat. Dispozitivele pneumatice din vehicul sunt, de exemplu, dispozitivul de ridicare a pantografului și contactorii electropneumatici . În trenul de vagon, de exemplu, ușile exterioare sau suspensia pneumatică sunt consumatori de aer comprimat care trebuie alimentați de locomotiva electrică. În plus față de compresorul principal de aer, locomotivele electrice sunt adesea echipate cu un compresor de aer auxiliar, ceea ce face posibilă ridicarea pantografului și pornirea comutatorului principal al unei locomotive demontate. Compresorul de aer auxiliar este alimentat cu energie electrică de către acumulatori. Dacă se folosește o frână cu aer de aspirație în locul unei frâne cu aer comprimat , locomotiva trebuie să fie echipată cu o pompă de vid .

Locomotivele electrice sunt echipate cu dispozitive de răcire pentru a disipa căldura reziduală din sistemele electrice. Transformatorul principal, convertorul de putere, motoarele de tracțiune, compresorul de aer și restul componentelor electronice trebuie răcite, dacă sunt disponibile. Generatoarele de căldură reziduale mai mari sunt răcite de un dispozitiv de răcire separat. Principalele transformatoare de astăzi sunt de obicei răcite cu ulei. Pentru a face acest lucru, o pompă de ulei pompează uleiul de răcire din rezervorul transformatorului prin răcitorul de ulei (de obicei un schimbător de căldură ulei / aer ) și înapoi în rezervorul transformatorului. Un ventilator aspiră camera din mașini sau aerul exterior și îl împinge prin schimbătorul de căldură pentru a disipa căldura reziduală din transformator în mediu. În locomotivele electrice moderne cu electronică de putere, convertoarele trebuie, de asemenea, să fie răcite. Apa de răcire este adesea utilizată pentru aceasta, care eliberează căldura uzată de la convertor în mediu într-un schimbător de căldură apă / aer. Motoarele de tracțiune sunt în mare parte răcite cu aer. În cazul motoarelor de tracțiune auto-ventilate, aerul de răcire necesar pentru aceasta este aspirat de o roată de ventilator montată pe arborele motorului de tracțiune. Odată cu creșterea cerințelor de performanță ale motorului de tracțiune, s-a trecut la sisteme ventilate extern în care ventilatoarele separate ale motorului de tracțiune asigură aerul de răcire. În funcție de tipul vehiculului, un ventilator al motorului de răcire răcește toate motoarele de acționare sau fiecare motor de acționare are propriul ventilator al motorului de acționare. Ca și în cazul motoarelor de tracțiune, compresoarele de aer sunt de obicei răcite cu aer și există atât sisteme autoventilate, cât și sisteme ventilate extern. Pentru a proteja dispozitivele și ventilatoarele de murdărie și daune, aerul exterior trebuie curățat. Acest lucru se realizează, de exemplu, prin intermediul unor rețele de ventilație , separatoare de cicloni și / sau covoare filtrante .

Alimentare cu tren

Locomotivele electrice care urmează să fie utilizate în transportul de pasageri asigură deseori sursa de energie centrală pentru trenul de vagoane atașat. În Europa, a predominat un autobuz cu un singur tren, care folosește șinele drept conductor de întoarcere. Cu toate acestea, în alte țări, cum ar fi SUA, s-a stabilit alimentarea cu tren cu curent alternativ trifazat. Energia pentru sursa de alimentare a trenului este preluată fie dintr-un robinet al transformatorului, direct de la linia de contact, fie de la un convertor.

Înainte de încălzirea electrică prinsă în autoturisme, locomotivele electrice erau echipate și cu generatoare de abur pentru încălzirea cu abur . Aceste generatoare de abur au fost acționate parțial electric, parțial prin încălzirea unui combustibil.

dispozitivele de siguranță

Pentru a proteja vehiculul, locomotivele electrice sunt printre altele. echipat cu următoarele dispozitive de protecție:

  • Protecție împotriva subtensiunii și supratensiunii în linia de contact
  • Protecția întregului vehicul împotriva supracurenților și scurtcircuitelor
  • Protecție la supracurent și la scurtcircuit a motorului, a circuitelor auxiliare și de comandă
  • Protecție transformator (inclusiv relee Buchholz )
  • Protecția convertorului
  • Dispozitiv antiderapant

Aceste dispozitive de protecție monitorizează variabilele operaționale și relevante pentru funcție ale vehiculului. Dacă valorile monitorizate scad sau depășesc o valoare limită specificată, dispozitivul de protecție declanșează o reacție specificată. Aceasta poate fi, de exemplu, ieșirea unui semnal de avertizare pentru șofer, oprirea automată a piesei sau a întregului autovehicul sau o intervenție automată în comanda vehiculului.

Alte dispozitive de protecție pentru monitorizarea șoferului sunt:

Piesa mecanică

Locomotiva constă, de obicei, dintr-o cutie transportată de trenul de rulare cu cabina șoferului și camera mașinilor.

Cutie și camera mașinilor

Cutia constă dintr-un cadru principal stabil, cu pereți laterali sudați și acoperișuri detașabile. Cabinele șoferului sunt amplasate la capete, între care se află o mare încăpere a mașinilor, unde aparatele electrice de comandă, control și transmisie sunt montate protejate de intemperii. Pentru ca personalul care operează să nu poată atinge tensiunea electrică periculoasă, dispozitivele sunt fie adăpostite în spatele gratiilor, fie în locomotive mai noi, în dulapuri închise. Zona de înaltă tensiune deosebit de periculoasă este, de asemenea, înconjurată. Accesul este posibil doar cu o cheie, care este eliberată numai atunci când pantograful este coborât și echipamentul electric este împământat.

Dispozitivele pentru transmiterea forțelor de tracțiune și de compresie sunt atașate la cutie. Acestea sunt de obicei cârlige și tampoane de tragere sau un cuplaj central de tampon .

Pentru a vă asigura că dispozitivele sunt accesibile pentru lucrări de întreținere, acestea sunt aranjate de-a lungul culoarelor. În vehiculele cu două cabine ale șoferului, un culoar este, de asemenea, utilizat pentru a le conecta pentru șofer. Fie un coridor poate fi amenajat în mijlocul sălii de mașini, fie două coridoare de-a lungul pereților. Este posibil un amestec al celor două sisteme. În coridoarele de-a lungul pereților laterali, există, de obicei, una dintre zonele de înaltă tensiune înconjurate suplimentar descrise mai sus.

Piesele în mișcare nu mai sunt vizibile în sala de mașini a locomotivelor moderne.

Conduceți și conduceți

conduce

Trenul de rulare include seturile de roți de antrenare, verticale care ghidajele pentru a lagărelor osiilor montate pe caroseria vehiculului ( corpul locomotivă sau un boghiu ) și arcurile care susțin corpul vehiculului.

conduce

Mijloacele utilizate pentru a transmite cuplul de la motorul de tracțiune la seturile de roți motoare sunt denumite acționare . Sunt incluse sarcinile secundare

  • Conversia cuplului, vitezei și
  • »Compensarea mișcărilor relative dintre seturile de roți montate mobil în cadrul vehiculului și motoarele de tracțiune montate mai mult sau mai puțin ferm.«

In contrast cu alte vehicule ( de exemplu autovehicule ), al primul motor (motor de tracțiune) este nu este inclusă în termenul unitate (sau în sinonimul motorului ).

Diferitele acționări diferă în funcție de câte seturi de roți sunt acționate de un motor de tracțiune ( acționare individuală sau de grup ) și de ce este susținut motorul de tracțiune: arborele setului de roți de acționare (acționarea motorului axial ), parțial de arborele setului de roți de acționare și parțial de la caroseria vehiculului ( acționarea lagărului cu clemă ) sau exclusiv de la caroseria vehiculului (acționarea motorului cadrului ).

Acționarea motorului pe osie

Această acționare directă a arborelui roții de acționare , acesta din urmă fiind identic cu arborele armăturii motorului (acționare neșurubată) sau cu un arbore gol introdus între ele. Unitățile de acționare a motorului nu mai sunt folosite astăzi, deoarece un motor relativ lent (viteza care se potrivește cu cea a arborelui roții motrice) este prea mare și prea greu.

Conducerea labe
Acționare modificată a lagărului suport: inel de cauciuc segmentat din 6 părți (5) pe părțile frontale ale rotorului

Această unitate este cea mai lungă - de la început până astăzi - folosită. Acționările rulmentului cu cavaler nu sunt suspendate sau arcuite cu arc cu un arbore gol ( motor plutitor cu arc complet ).

Acționare motor rack

Cu acest tip de construcție, motoarele de tracțiune sunt montate ferm în cadru. Există motoare de cadru în cele mai variate variante. Acestea diferă prin modul în care cuplajul utilizat permite compensarea mișcării relative dintre unitatea de acționare și arborele roții setului de acționare. Acționările arborelui gol sunt acționările arborelui cardanic (»arborele cardan«, a se vedea a treia imagine de mai jos), acțiunile cu arc și acțiunile articulate (»splitter-«). Acționările cu tijă utilizate adesea în prima jumătate a secolului XX și cele mai noi acționări cu cuplaj între motorul de acționare și cutia de viteze nu sunt echipate cu un arbore gol .


  • Transmisie motor axă, schematică cu arbore gol (4)

  • Transmisia rulmentului cu cleme,
    modificată schematic : cu arbore gol (4)

  • Acționare motor cadru, acționare schematică a arborelui
    cardanic cu arbore gol (8)
    și tub de îmbinare conic (4)

Cabina șoferului

În cabina șoferului există toate dispozitivele de operare și dispozitivele de afișare necesare pentru operarea vehiculului de tracțiune.

Accesorii mecanice

În plus față de dispozitivele menționate, locomotivele electrice au și alte componente, inclusiv:

alimentare electrică

Primele căi ferate cu tracțiune electrică au fost operate cu curent continuu sau curent trifazat , ceea ce a permis construirea vehiculelor cu motoare simple de tracțiune și comenzi simple. Abia mai târziu tehnologia a fost disponibilă pentru utilizarea curentului alternativ monofazat , care a simplificat catenaria și sursa de alimentare.

Curent continuu

Locomotiva DC Museum FS E.321, din Milano , Italia , construită în 1923

Electrificarea cu curent continuu a fost cea mai ușor de făcut. Motorul de acționare avea o structură simplă și ieșirea sa putea fi reglată cu rezistențe de serie. Este mai dificil să transferați energie pe distanțe mari, astfel încât sunt necesare multe puncte de alimentare. Pe de altă parte, vehiculele pot fi construite cu ușurință, deoarece nu este necesar niciun transformator pe vehicul. Sistemul este folosit și astăzi. Electrificarea cu 3000 volți DC este cel mai răspândit sistem la nivel mondial în ceea ce privește secțiunile (începând cu 1980). Cu toate acestea, nu mai este folosit pentru proiecte noi, mari, în transportul pe distanțe lungi. Problemele sunt cauzate de curenții mari pe care z. B. trebuie să fie transmis din catenară pentru o funcționare de mare viteză și astfel să provoace pierderi mari.

Locomotivă cu baterii la metroul din Londra pentru întreținere

Locomotivele de acumulare reprezintă o formă specială de locomotive alimentate cu curent continuu . La fel ca în cazul vagoanelor de acumulatoare utilizate în transportul de pasageri, avantajul este că, în afară de stațiile de încărcare staționare, acestea nu depind de nicio altă infrastructură pentru alimentarea cu energie electrică.
Cu toate acestea, datorită capacității limitate a bateriei, zona de aplicare este limitată la distanțe scurte. Locomotivele cu baterii au fost folosite pe metroul din Londra încă din anii 1930 ca vehicule de service pentru lucrări de service în secțiuni de tunel în care șina conductoare este oprită pentru lucrări de întreținere. Locomotivele cu baterii au fost folosite subteran în minerit pentru mult mai mult timp ; acestea sunt locomotive de mine cu ecartament îngust. În plus, acestea sunt utilizate ocazional în traficul feroviar industrial. Locomotiva de testare FS E.421 a fost construită încă din 1921 și din 1916 NSB Ea1 este în funcțiune în Norvegia, atât în ​​manevrare, cât și în linie principală .

Curent trifazat

Locomotiva de testare trifazată Siemens & Halske

Curentul trifazat a fost utilizat în 1903 în testele de mare viteză pe ruta Marienfelde - Zossen . La motoarele de tracțiune asincrone ale locomotivei au fost aprovizionate direct de la un trei poli linie de contact , controlul vitezei a fost realizată prin modificarea frecvenței tensiunii de alimentare în stația de alimentare.

Pentru o funcționare practică, a prevalat o linie de contact cu doi poli cu șinele de rulare, în timp ce al treilea conductor exterior . În comparație cu funcționarea în curent continuu, energia ar putea fi transmisă mai bine pe distanțe mai mari și o frână regenerativă fiabilă ar putea fi ușor de implementat, motiv pentru care sistemul este folosit și astăzi pe unele căi ferate montane elvețiene . Cu toate acestea, controlul de viteză infinit variabil nu a fost posibil cu comenzile clasice. Pentru cea mai neîntreruptă aprovizionare cu energie, chiar și în prezențe, este necesar să circulați cu două pantografe distanțate pe fiecare vehicul de tracțiune, din cauza punctului de trecere a firelor de contact cu diferite faze de alimentare. Construcția liniei de contact este deosebit de complicată la traversări și traversări. Operat în nordul Italiei Ferrovie dello Stato cinci retele individuale cu 3.6 kilovolts la 16 cu 2 / cu 3 Hz. Cu toate acestea, nu mai exista nicio legătură între ele. Factorul decisiv pentru înlocuirea cu un sistem de curent continuu din punct de vedere tehnic mai simplu a fost că catenaria fixă ​​cu doi poli nu era potrivită pentru viteze de peste 100 km / h. Operațiunea italiană „Trifase” s-a încheiat în 1976.

Curent alternativ

Partea activă a transformatorului principal al unei locomotive de curent alternativ, care este introdusă într-un rezervor de ulei până la placa de acoperire în timpul funcționării. Uleiul răcește și izolează înfășurările și țevile de cupru învelite cu hârtie. În dreapta cadrului din lemn în formă de zăbrele, aproximativ 30 de robinete ale înfășurării pentru etapele de comutare pot fi văzute în culoare deschisă, cu conexiunile de înaltă tensiune cu izolatori din porțelan maro în partea de sus. Una dintre ele este conectată la pantograf prin intermediul comutatorului principal .

Datorită tensiunii ridicate, curentul alternativ poate fi transmis pe distanțe mari cu pierderi mici. Pe de altă parte, la începutul electrificării, construcția motoarelor de tracțiune pentru curentul alternativ monofazat a fost extrem de complexă și a reușit doar cu frecvențe reduse de rețea. Încercările cu curent alternativ monofazat au fost efectuate încă din 1905, dar sistemul nu s-a stabilit ca cea mai potrivită sursă de energie pentru căile ferate pe distanțe lungi până mai târziu. Tensiunea alternativă ridicată este redusă pentru a acționa motoarele și dispozitivele de comutare pe vehiculul de tracțiune cu transformatoare la valori mai mici.

Progresele în electronica de putere au făcut posibilă utilizarea frecvenței de rețea pe scară largă de 50 Hz mai târziu. La început, curentul alternativ de 50 Hz a fost rectificat cu diode și apoi a servit la furnizarea așa-numitelor motoare cu curent mixt. Pentru electrificări noi, sistemul cu 25 kilovolți la 50 Hz este utilizat în cea mai mare parte astăzi, care este al doilea cel mai frecvent în lume astăzi.

Aplicarea sistemelor de curent de tracțiune

Această dezvoltare istorică arată că astăzi sunt utilizate diferite sisteme de curent de tracțiune, în funcție de momentul în care au fost construite primele sisteme. În Europa, diferitele sisteme împiedică traficul transfrontalier, care poate fi gestionat numai cu vehicule cu mai multe sisteme .

Cele mai importante sisteme de curent de tracțiune din lume (în ordinea nivelului de tensiune):

  • 50 Kilovolt, 60 Hertz ~
    aplicații individuale în Canada, SUA și Africa de Sud
  • 25 kilovolt, 50 Hertz ~
    Franța (partea de nord și rutele TGV), Spania (rutele AVE), Marea Britanie (la nord de Londra și Canalul Tunelului ), Danemarca, Germania (numai Rübelandbahn ), Finlanda, Luxemburg (cu excepția Luxemburgului-Arlon ), Belgia (parțial), Olanda (parțial), Elveția ( Genève - La Plaine și Basel - Saint-Louis ), Ungaria, Republica Cehă (partea de sud), Slovacia (partea de sud), Croația, Serbia, Bulgaria, Italia (nou Rute de mare viteză), Grecia, Portugalia, România, Rusia (parțial), Ucraina (parțial), Kazahstan, Lituania, Bielorusia, India, China, Coreea de Sud
  • 20/25 kilovolt, 50/60 Hz ~
    diverse rețele electrice ale căilor ferate japoneze (inclusiv liniile de mare viteză Shinkansen și liniile convenționale din nordul insulei Honshu)
  • 15 kilovolt, 16 2 ⁄ 3  sau 16,7 Hz ~
    Germania, Elveția, Austria, Norvegia, Suedia
  • 3000 volți =
    Italia, Spania, Belgia, Luxemburg ( ruta Luxemburg - Arlon ), Polonia, Rusia (parțial), Ucraina (parțial), Estonia, Letonia, Georgia, Armenia, Azerbaidjan, Republica Cehă (partea de nord), Slovacia (nord și est)), Slovenia, Coreea de Nord
  • 1500 de volți =
    Franța (partea de sud), Țările de Jos, Republica Cehă ( Tábor - Bechyně ), părți mari ale rutelor convenționale din Japonia (în special în zonele metropolitane precum Tokyo, Nagoya sau Osaka), obișnuite pe rutele de gabarit Spania și Elveția
  • 750 volți =
    Anglia (la sud de Londra până la canal, sursa de alimentare printr-o șină laterală acoperită de sus)

În cazul rețelelor de tramvai, tramvai, metrou și S-Bahn, tensiunile de curent continuu între 500 și 1500 de volți sunt utilizate mai ales dacă sunt operate independent de rețelele de trenuri pe distanțe lungi. Tensiunea firului de contact în rețelele de tramvaie depășește rareori 1000 de volți.

literatură

  • Helmut Bendel: Locomotiva electrică. Structură, funcție, tehnologie nouă. transpress, Berlin 1994, ISBN 3-344-70844-9 .
  • Klaus-Jürgen Vetter: Marele manual pentru locomotive electrice. Bruckmann, 2003, ISBN 3-613-71370-5 .
  • Günther Klebes: Vehiculele cu tracțiune electrică și diesel la expoziția de tehnologie feroviară de la Seddin cu ocazia conferinței de tehnologie feroviară de la Berlin în perioada 21 septembrie - 5 octombrie 1924 . (= Căi ferate și muzee. Episodul 20). Publicat de Societatea Germană pentru Istoria Căilor Ferate eV Karlsruhe 1978, ISBN 3-921700-18-3 .
  • Günther Klebes: 100 de ani de transport cu trenul electric - 100 de ani de locomotive electrice de la Siemens. Eisenbahn-Kurier-Verlag, Freiburg Br 1979, ISBN 3-88255-823-7 .
  • Klaus-Jürgen Vetter: Marele manual pentru locomotive electrice. Bruckmann, 2003, ISBN 3-7654-4066-3 .
  • Raimo Gareis: locomotivele electrice de ieri. Vol. 1: Locomotive principale. Krone, 2000, ISBN 3-933241-18-9 .
  • Andreas Steimel: Vehiculele electrice de tracțiune și furnizarea lor de energie: elemente de bază și practică. Oldenbourg Industrieverlag, München 2006, ISBN 3-486-63090-3 .

Link-uri web

Commons : Locomotive electrice  - Colecție de imagini
Wikționar: Locomotivă electrică  - explicații privind semnificațiile, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

Dovezi individuale

  1. ↑ www.hoch SPEEDSZUEGE.com - Prezentare generală a trenurilor franceze de mare viteză. Formulele axelor (axele motoare, axele rulante) sunt specificate odată cu trenurile.
  2. ↑ fizic- club.de
  3. ↑ a b c d e f g h i j k l Helmut Bendel: Locomotiva electrică: structură, funcție, tehnologie nouă . 2., editați. și ediție suplimentară Transpress, Berlin 1994, ISBN 3-344-70844-9 .
  4. ^ Siegfried Müller: Vehicule electrice și diesel-electrice. Birkhäuser, 1979, p. 34.
  5. ↑ Helmut Bendel, printre altele: Locomotiva electrică. transpress, 1981, p. 305, 19.1.3 structură .
  6. ↑ Helmut Bendel, printre altele: Locomotiva electrică. transpress, 1981, p. 305, 19.1.3 structură
  7. ↑ Helmut Bendel, printre altele: Locomotiva electrică. Ediția a II-a. transpress, 1994, p. 329, d) acționări pe tije
  8. ↑ La începutul secolului al XX-lea, acțiunile cu motor ale cadrului erau în principal înțelese ca acționări cu tijă, deoarece alte soluții nu fuseseră încă dezvoltate, a se vedea: W. Kummer: vehicule feroviare electrice Triebwerke . În: SBZ . bandă 52 , numărul 22, 1908, pp. 293 ( e-periodica.ch ). : Date despre cele trei grupuri de unități
  9. ↑ a b Andreas Haigermoser: ( pagina nu mai este disponibilă , căutați în arhivele web: scriptul prelegerii „vehicule feroviare” ) TU Graz, ediția 07.2002@ 1@ 2Șablon: Toter Link / www.mel.tugraz.at
  10. ↑ 16,7 Hz în rețeaua DA-CH și subrețeaua convertorului asincron, consultați curentul de tracțiune