Jak městská a meziměstská elektrická doprava získává energii?

Městská a meziměstská elektrická doprava se stala pro moderního člověka známými atributy každodenního života. Už dávno jsme přestali přemýšlet o tom, jak tato doprava získává potravu. Každý ví, že auta se plní benzínem, na kole šlapou cyklisté. Jak jsou ale napájeny elektrické druhy osobní dopravy: tramvaje, trolejbusy, jednokolejky, metro, elektrické vlaky, elektrické lokomotivy? Kde a jak se jim dodává hnací energie? Pojďme si o tom promluvit.

Tramvaj

Za starých časů byla každá nová tramvajová ekonomika nucena mít svou vlastní elektrárnu, protože veřejné rozvodné sítě ještě nebyly dostatečně rozvinuté. V 21. století je energie pro tramvajovou síť dodávána ze sítí pro všeobecné použití.

Napájení je zajištěno relativně nízkonapěťovým stejnosměrným proudem (550 V), což by bylo pro přenos na dlouhé vzdálenosti prostě neekonomické.Z tohoto důvodu jsou v blízkosti tramvajových tratí umístěny trakční měnírny, kde se střídavý proud z vysokonapěťové sítě přeměňuje na stejnosměrný proud (o napětí 600 V) pro tramvajovou kontaktní síť. Ve městech, kde jezdí jak tramvaje, tak trolejbusy, mají tyto druhy dopravy obecně celkovou úsporu energie.

Na území bývalého Sovětského svazu existují dvě schémata napájení trolejového vedení pro tramvaje a trolejbusy: centralizované a decentralizované. Nejprve přišel centralizovaný. V něm obsluhovaly velké trakční měnírny vybavené několika přestavbami všechny sousední tratě nebo tratě umístěné ve vzdálenosti do 2 kilometrů od nich. Rozvodny tohoto typu se dnes nacházejí v oblastech s vysokou hustotou tramvajových (trolejbusových) tras.

Decentralizovaný systém se začal formovat po 60. letech, kdy se začaly objevovat tramvajové linky, trolejbusy, metro, například z centra města po dálnici, do odlehlé části města atd.

Zde jsou na každých 1-2 kilometrech tratě instalovány nízkovýkonové trakční měnírny s jednou nebo dvěma měničovými jednotkami schopnými zásobovat maximálně dva úseky tratě, přičemž každý koncový úsek může být napájen ze sousední měnírny.

Energetické ztráty jsou tedy menší, protože výkonové úseky jsou kratší. Také pokud dojde k poruše na jedné z rozvoden, část vedení zůstane napájena ze sousední rozvodny.

Styk tramvaje se stejnosměrným vedením je přes pantograf na střeše jejího vozu. Může to být pantograf, polopantograf, tyč nebo oblouk. Trolejový drát tramvajové tratě je obvykle jednodušší zavěsit než kolejnice.Pokud je použito výložník, jsou vzduchové spínače uspořádány jako trolejové výložníky. Tok proudu je obvykle přes koleje k zemi.

Trolejbus

V trolejbusu je kontaktní síť rozdělena úsekovými izolátory na izolované segmenty, z nichž každý je připojen k trakční rozvodně pomocí napájecích vedení (nadzemních nebo podzemních). Snadno tak lze jednotlivé sekce při poruše vypnout pro opravu.Pokud dojde k poruše přívodního kabelu, je možné na izolátory osadit propojky pro napájení postižené sekce ze sousedního (jde však o abnormální režim spojený s rizikem přetížení napájecího zdroje).

Trakční rozvodna snižuje vysokonapěťový střídavý proud z 6 na 10 kV a převádí jej na stejnosměrný proud o napětí 600 voltů. Pokles napětí v žádném bodě sítě by podle norem neměl být větší než 15 %.

Kontaktní síť trolejbusu se liší od sítě tramvaje. Zde je dvouvodičový, zem neslouží k odvodu proudu, takže tato síť je složitější. Vodiče jsou umístěny v malé vzdálenosti od sebe, proto je nutná zvláště pečlivá ochrana před přiblížením a zkratem a také izolace v místech křížení trolejbusových sítí mezi sebou a s tramvajovými sítěmi.

Proto jsou na křižovatkách instalovány speciální prostředky, stejně jako šipky na křižovatkách. Navíc je zachováno určité nastavitelné napětí, které zabraňuje překrývání vodičů ve větru. Proto se k pohonu trolejbusů používají tyče — ostatní zařízení prostě všechny tyto požadavky splnit neumožní.

Trolejbusová ramena jsou citlivá na kvalitu trolejového vedení, protože jakákoliv jeho závada může vést k přeskočení ramene. Existují normy, podle kterých by úhel zlomení v místě upevnění tyče neměl být větší než 4 ° a při otáčení pod úhlem větším než 12 ° jsou instalovány zakřivené držáky. Kluzák jezdí po drátu a nelze s ní otáčet s vozíkem, takže jsou zde potřeba šipky.

Jednokolejná

Jednokolejné vlaky v poslední době fungují v mnoha městech po celém světě: Las Vegas, Moskva, Toronto atd. Najdeme je v zábavních parcích, zoologických zahradách, jednokolejky slouží k místním prohlídkám a samozřejmě pro městské a příměstské komunikace.

Kola takových vlaků nejsou vůbec litinová, ale litinová. Kola jednoduše vedou jednokolejný vlak po betonovém nosníku – kolejích, na kterých je umístěna trať a vedení (kontaktní kolejnice) napájecího zdroje.

Některé jednokolejky jsou navrženy tak, že jsou umístěny na horní části kolejnice, podobně jako člověk sedí na koni. Některé jednokolejky jsou zavěšeny na trámu níže a připomínají obří lucernu na tyči. Jednokolejky jsou samozřejmě kompaktnější než konvenční železnice, ale jejich stavba je dražší.

Některé jednokolejky mají nejen kola, ale také další podporu založenou na magnetickém poli. Například moskevská jednokolejka jede přesně na magnetickém polštáři vytvořeném elektromagnety. Elektromagnety jsou ve vozovém parku a v plátně vodícího paprsku jsou permanentní magnety.

Podle směru proudu v elektromagnetech pohyblivé části se jednokolejný vlak pohybuje vpřed nebo vzad podle principu odpuzování stejnojmenných magnetických pólů - tak funguje lineární elektromotor.

Kromě pryžových kol má jednokolejný vlak také styčnou kolejnici sestávající ze tří prvků vedoucích proud: plus, mínus a zem. Napájecí napětí jednokolejového lineárního motoru je konstantní, rovné 600 voltům.

Podzemí

Elektrické vlaky metra odebírají elektřinu ze sítě stejnosměrného proudu — zpravidla ze třetí (kontaktní) kolejnice, jejíž napětí je 750-900 voltů. Stejnosměrný proud se získává v rozvodnách ze střídavého proudu pomocí usměrňovačů.

Styk vlaku s trolejí je realizován prostřednictvím pohyblivého sběrače proudu. Kontaktní sběrnice je umístěna vpravo od kolejí. Sběrač proudu (tzv. «Pantograf») je umístěn na podvozku vozíku a je zespodu přitlačován ke kontaktní sběrnici. Plus je na troleji, mínus je na vlakových kolejích.

Po kolejích teče kromě silového proudu slabý „signální“ proud, který je nezbytný pro blokování a automatické přepínání semaforů. Koleje také předávají do kabiny strojvedoucího informace o semaforu a povolené rychlosti vlaku metra v daném úseku.

Elektrická lokomotiva

Elektrická lokomotiva je lokomotiva poháněná trakčním motorem. Motor elektrické lokomotivy získává energii z trakční rozvodny prostřednictvím kontaktní sítě.

Elektrická část elektrické lokomotivy obecně obsahuje nejen trakční motory, ale také měniče napětí, dále zařízení, která připojují motory do sítě atp. Současné zařízení elektrické lokomotivy je umístěno na střeše nebo na jejích krytech a je určeno k připojení elektrického zařízení ke kontaktní síti.

Odběr proudu z venkovního vedení zajišťují sběrače na střeše, po kterých je proud přiváděn přes přípojnice a průchodky do elektrických zařízení. Na střeše elektrické lokomotivy jsou dále spínací zařízení: vzduchové spínače, spínače proudových typů a odpojovače pro odpojení od sítě při poruše pantografu. Přes autobusy je proud přiváděn na hlavní vstup, do přestavovacích a regulačních zařízení, k trakčním motorům a dalším strojům, dále ke kolům a přes ně na kolejnice, na zem.

Regulace trakční síly a rychlosti elektrické lokomotivy se dosahuje změnou napětí v kotvě motoru a změnou koeficientu buzení kolektorových motorů nebo úpravou frekvence a napětí napájecího proudu asynchronních motorů.

Regulace napětí se provádí několika způsoby. Zpočátku na stejnosměrné elektrické lokomotivě jsou všechny její motory zapojeny do série a napětí jednoho motoru na osminápravové elektrické lokomotivě je 375 V, s trolejovým napětím 3 kV.

Skupiny trakčních motorů lze přepínat ze sériového zapojení — na sériově paralelní (2 skupiny po 4 motorech zapojené do série, pak napětí pro každý motor je 750 V), nebo na paralelní (4 skupiny po 2 motorech zapojené do série, pak toto napětí pro jeden motor — 1500 V). A pro získání středních napětí motorů jsou do obvodu přidány skupiny reostatů, což umožňuje upravit napětí v krocích 40-60 V, i když to vede ke ztrátě části elektřiny na reostatech v forma tepla.

Výkonové měniče uvnitř elektrické lokomotivy jsou nutné pro změnu typu proudu a snížení trolejového napětí na požadované hodnoty, které splňují požadavky trakčních motorů, pomocných strojů a dalších obvodů elektrické lokomotivy. Přestavba se provádí přímo na palubě.

Na střídavých elektrických lokomotivách je k dispozici trakční transformátor pro snížení vstupního vysokého napětí, dále usměrňovač a vyhlazovací tlumivky pro získání stejnosměrného proudu ze střídavého proudu. Pro napájení pomocných strojů lze nainstalovat statické měniče napětí a proudu. Na elektrických lokomotivách s asynchronním pohonem obou typů proudu se používají trakční měniče, které přeměňují stejnosměrný proud na střídavý proud s regulovaným napětím a frekvencí, který je napájen trakčními motory.

Elektrický vlak

Elektrický vlak nebo elektrický vlak v klasické podobě přijímá elektřinu pomocí pantografů prostřednictvím trolejového drátu nebo troleje.Na rozdíl od elektrické lokomotivy jsou sběrače elektrických vlaků umístěny jak na motorových vozech, tak na přívěsech.

Pokud je proud přiváděn do tažených vozů, pak je vůz napájen přes speciální kabely. Sběrač proudu bývá nahoře, od troleje, je vyveden sběrači ve formě pantografů (podobně jako u tramvajových tratí).

Obvykle je odběr proudu jednofázový, existuje však i třífázový, kdy elektrický vlak používá pantografy speciální konstrukce pro oddělený kontakt s několika dráty nebo trolejemi (pokud jde o metro).

Elektrické vybavení elektrického vlaku závisí na druhu proudu (existuje stejnosměrný proud, střídavý proud nebo dvousystémové elektrické vlaky), typu trakčních motorů (sběrné nebo asynchronní), přítomnosti nebo nepřítomnosti elektrického brzdění.

V principu je elektrická výzbroj elektrických vlaků podobná elektrické výzbroji elektrických lokomotiv. Ve většině modelů elektrických vlaků je však umístěn pod karoserií a na střechách vozů, aby se uvnitř zvětšil prostor pro cestující. Principy pohonu motorů elektrických vlaků jsou zhruba stejné jako u elektrických lokomotiv.