Tramwaj - zasada działania

Tramwaj – pojazd szynowy służący do transportu miejskiego, poruszający się w ruchu mieszanym po jezdni lub na wydzielonym albo niezależnym torowisku.

Obecnie tramwaje zwykle napędzane są silnikami elektrycznymi zasilanymi z sieci trakcyjnej, chociaż spotyka się też konstrukcje hybrydowe posiadające silnik spalinowy lub akumulatory pozwalające na jazdę bez zewnętrznego źródła zasilania. Dawniej używano również tramwajów konnych, napędzanych silnikiem parowym lub spalinowym, jak również systemów z napędem stacjonarnym (San Francisco), wagonów akumulatorowych lub napędzanych silnikami pneumatycznymi. Ja omówię tramwaje elektryczne zasilane z sieci trakcyjnej.

Pierwszy eksperymentalny tramwaj elektryczny skonstruowany przez Wernera Siemensa uruchomiono w Gro-Lichterfelde (obecnie dzielnica Berlina) w 1881.

Szerokość torów to w większości miast 1435 mm. Szerokość wagonu wynosi 2100-2650 mm, a długość od 8 do około 45 m. Średnia prędkość tradycyjnego tramwaju w ruchu miejskim wynosi około 19 km/h.
Współcześnie do zaopatrywania pojazdów w elektryczność stosuje się przede wszystkim napowietrzną sieć trakcyjną zasilaną prądem stałym o napięciu 500-800 V. Odbierak prądu w formie jedno- lub dwuramiennego pantografu.

Tramwaje zasilane są prądem elektrycznym dostarczanym do nich za pośrednictwem sieci trakcyjnej, która składa się z sieci jezdnej (napowietrznej) i sieci powrotnej (torów). Podział ten jest konieczny ze względów fizycznych, gdyż aby istniał przepływ prądu konieczne jest istnienie obwodu, czyli dwóch biegunów elektrycznych - dodatniego i ujemnego - połączonych odbiornikiem energii, którym jest tramwaj. Typowa sieć trakcyjna ma doprowadzony biegun dodatni (+) do sieci jezdnej, a biegun ujemny (-) do szyn.

Prąd w ten sposób płynie z podstacji trakcyjnej biegunem dodatnim do sieci jezdnej. Stamtąd dostaje się do urządzeń elektrycznych tramwaju, a z nich wraca szynami do bieguna ujemnego podstacji trakcyjnej. Ustawione są przy trasach tramwajowych i służą do zamiany prądu przemiennego o średnim napięciu [15kV] dostarczanego z sieci energetyki na prąd stały o napięciu 600V wykorzystywany do zasilania tramwajów.

Sieć jezdna (napowietrzna)
To część sieci trakcyjnej, która zawieszana jest nad torem najczęściej w wysokości 5.25-5.5 m. Głównym jej elementem jest przewód jezdny, po którym ślizga się odbierak prądu pobierając energię elektryczną.

Sieć powrotna
To elementy nawierzchni torowej czyli szyny, rozjazdy oraz połączenia elektryczne tych elementów służące doprowadzeniu prądu zwanego prądem powrotnym z obwodu elektrycznego tramwaju do podstacji trakcyjnej.

Dla polepszenia przepływu prądu powrotnego przez szyny do podstacji (wyrównania obciążenia prądowego oraz zmniejszenia do minimum oporu) w pewnych odstępach (co około 100 - 200m) sąsiadujące szyny torów łączy się ze sobą elektrycznymi połączeniami międzytorowymi.

Ogólne informacje o zasilaniu
Zasilanie sieci trakcyjnej tramwajowej odbywa się prądem stałym o napięciu 600V dostarczanym z podstacji trakcyjnej do przewodu jezdnego za pośrednictwem kabli zasilających.

Tramwaj odbiera napięcie z przewodu jezdnego za pomocą odbieraka prądu (pantografu). Pantograf składa się z podstawy, ramion i ślizgacza oraz elementów służących do jego podnoszenia i opuszczania.
- ślizgacz - składa się z dwóch równoległych płóz, które od góry wyłożone są grafitowymi listwami zwanymi ślizgami. Ślizgi realizują bezpośredni kontakt z przewodem jezdnym sieci trakcyjnej. Wykonanie ich z grafitu jest podyktowane faktem, że grafit to twardy i dobry przewodnik nie powodujący iskrzenia przy tarciu ślizgu o przewód. Ślizgacz przymocowany jest do ramion pantografu przegubowo za pośrednictwem wahaczy, co umożliwia mu delikatne ruchy związane z oporem mechanicznym występującym podczas ślizgania się po przewodach jezdnych.
- ramiona - to elementy stanowiące konstrukcję wsporczą dla ślizgacza utrzymując jego odpowiednie położenie i odpowiedni docisk do przewodu jezdnego sieci trakcyjnej. Dzięki ramionom oraz sprężynie naciągającej ślizgacz ma możliwość ruchu pionowego w związku ze zmianami wysokości zawieszenia przewodów jezdnych zachowując przy tym ciągły i odpowiedni nacisk.
- podstawa - to element konstrukcji pantografu umożliwiający jego przymocowanie do dachu wagonu. Do podstawy zamocowane są wały ramion dolnych odbieraka prądu.

Podczas styku z przewodem jezdnym odbierak prądu jest w całości pod napięciem i dlatego jego podstawa jest przymocowana do dachu wagonu na czterech izolatorach wsporczych.

W środku podstawy pantogrgrafu zainstalowany jest odgromnik połączony z podstawą za pośrednictwem przewodu elektrycznego. Odgromnik jest urządzeniem zabezpieczającym obwody tramwaju przed przepięciami atmosferycznymi. W przypadku pojawienia się w sieci trakcyjnej przepięcia o znacznej wartości następuje zadziałanie odgromnika i odprowadzenie ładunku do szyn.

Ślizg pantografu, który dotyka przewodu jezdnego wykonany jest z grafitu (dobry i twardy przewodnik). Prawidłowy docisk odbieraka prądu (ślizgacza) do przewodu jezdnego powinien wynosić około 7 - 9kg.
Odbieraki prądu stosowane w tramwajach, w przeciwieństwie do kolejowych, nie posiadają dociskania pneumatycznego. Pantografy tramwajowe są dociskane tylko za pomocą sprężyn naciągających.

W silniku szeregowym występuje następująca zależność - im większy prąd tym mniejsza prędkość obrotowa silnika i na odwrót. To pozytywna cecha silnika szeregowego, która powoduje, że pracujący silnik dostosowuje prędkość obrotową do aktualnego obciążenia.

SILNIK ELEKTRYCZNY, maszyna przetwarzająca energię elektryczną na energię mechaniczną zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnetycznego i prądu elektrycznego (siła elektrodynamiczna).