كيف يعمل القطار الكهربائي؟

ترتبط الصورة النمطية لسكك الحديد بقطارات سريعة، مع خيط من الدخان الأسود يمتد خلفها، وضجيج عالٍ يهز أركان المنازل المجاورة لها. لكن بالنسبة للقطارات الكهربائية، فإنها ليست فقط صديقة للبيئة، وإنما بالكاد يُسمع لها صوت. يكمن الاختلاف بينها وبين المحركات التقليدية في الطاقة المستخدمة لتشغيل المحرك، وما يتبعها من اختلافات في مبدأ وآلية العمل. فكيف يعمل القطار الكهربائي؟

القطار الكهربائي ومبدأ عمله

القاطرة الكهربائية هي عربة تتحرك على قضبان سكة الحديد، دافعة أو ساحبة معها قاطرةً متصلة بها. تعمل بقوة جر محركها الكهربائي، والذي يختلف عن محركات الديزل التقليدية، إذ تستمد القاطرة الكهرباء من مصدر خارجي لتشغيل محركات الجر.

استخدمت القطارات الكهربائية منذ أكثر من 100 عام، ومع تطور أنظمة الطاقة توفرت أنواع مختلفة من أنظمة الدفع الكهربائي في السكك الحديدية، وفقاً لنوع السكك وموقعها، والتكنولوجيا التي كانت متوفرة وقت التثبيت. لكن بشكل عام، ومهما كانت الهندسة الكهربائية للقطار عالية، فإنها تعمل جميعاً بمبدأ واحد وهو سحب التيار من مزود طاقة خارجي، ثم تعديله وتزويد محركات الجر به.

اقرأ أيضاً: قطار اللانهاية: أول قطار يولد طاقة تشغيله ذاتياً لتوفير التكلفة وتخفيض الانبعاثات

أنواع القاطرات الكهربائية

وفقاً لنوع التيار المستخدم في تشغيل القطارات الكهربائية يمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع:

• قطارات تعمل بالتيار المستمر.
• قطارات تعمل بالتيار المتناوب.
• القطارات ثنائية التيار، أي تعمل بالتيار المتناوب والمستمر.

اقرأ أيضاً: قطار بسرعة الصوت يسمى "هايبرلوب"

الفرق بين محركات التيار المتناوب والمستمر في القطارات الكهربائية

في الأيام الأولى لعمل القطارات الكهربائية كانت محركات التيار المستمر الشكل الأساسي المستخدم فيها، لسهولة التحكم فيها، ولخاصية عزم الدوران الصحيحة التي توفرها لتشغيل السكك الحديدية. ولكن في ثمانينيات القرن الماضي، ومع التقدم في إلكترونيات الطاقة تحولت القطارات لاستخدام محركات التيار المتناوب ثلاثي الأطوار، كبديل أكثر كفاءة لمحركات التيار المستمر، وذلك للأسباب التالية:

• أخف استهلاكاً للطاقة من محركات التيار المستمر.
• أبسط في البناء، إذ لا تتطلب اتصالات ميكانيكية للعمل.
• أكثر سهولة في التحكم بها من محركات التيار المستمر بسبب تحسين معامل الالتصاق.
• أسهل في الصيانة، وأكثر قوة من محركات التيار المستمر.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل المولد الكهربائي؟

مكونات دارة القطار الكهربائية التي تعمل بالتيار المتناوب

بشكل عام تتكون منظومة القطار الكهربائي من المكونات التالية اعتماداً على مكان وجودها:

• معدات السقف.
• معدات داخل القاطرات.
• المعدات تحت هيكل القاطرة.

معدات السقف

تصمم بحيث تتحمل الظروف الجوية الخارجية القاسية، وتتكون من:

• مزود الطاقة: يستمد القطار الكهربائي طاقته من أسلاك علوية في أنظمة التيار المتناوب.
• البانتوجراف: هو الوسيلة التي تستمد بها القاطرة العاملة بالتيار المتناوب الكهرباء من الأسلاك العلوية.
• قاطع الدارة: ليحمي الدارة في حال حدوث أي ماس أو زيادة في شدة التيار أو خطأ في الموقع، بتأثير منظومة الحماية.

اقرأ أيضاً: لماذا نحتاج إلى وحدة منع انقطاع التيار الكهربائي «UPS» في حالات عدم استقرار الكهرباء؟

المعدات الداخلية

تتواجد ضمن القاطرة، وتتكون من:

• منظم للجهد: يتم فيه تحويل الجهد العالي للتيار إلى جهد منخفض بواسطة المحول الرئيسي، وهو عبارة عن محول ذاتي مع 32 نقطة تفرع، ومحول متدرج مع ملفين ثانويين منفصلين.
• معدلات السيليكون: مهمتها تحويل التيار المتناوب من المحول الرئيسي إلى تيار مستمر، حيث يغذّي كل معدل ثلاثة محركات جر.
• محول مساعد: لتحويل جهد الإدخال أحادي الطور البالغ 380 فولط إلى خرج ثلاثي الطور قيمته 380 فولط، واللازم لعمل المحركات المساعدة بتزويد الهواء المضغوط. يساعد الهواء المضغوط على تبريد المعدات الكهربائية مثل محركات الجر والمحول الرئيسي والمعدلات وغيرها.

المعدات تحت هيكل القاطرة

يتم تصميمها أيضاً بحيث تتحمل ظروف العمل القاسية، وتتكون من:

• محركات الجر: تضم كل قاطرة 6 محركات جرٍّ، يتم تركيب اثنين منها تحت القاطرة بالاقتران مع العجلات.
• مفاعل التنعيم: لتقليل تموج التيار وجعله أكثر سلاسة.
• الفرامل: حيث تُزود كل قاطرة بأنواع الفرامل التالية:
  • نظام الفرامل الهوائية.
  • الفرامل المستقلة
  • الفرامل المتناسبة.
  • الفرامل الديناميكية.
  • الفرامل المتجددة.

اقرأ أيضاً: كيف يعمل نظام الفرامل في السيارة؟

كيف تعمل القاطرات الكهربائية بالتيار المتناوب؟

تعمل قاطرات التيار المتناوب التي تتزود بالكهرباء من الأسلاك العلوية بالمراحل التالية:

1. يجمع البانتوجراف الكهرباء من الأسلاك العلوية، ويمرره عبر مانع الصواعق وقاطع الدارة، لتجنب الحمل الزائد وحماية القاطرات.
2. ينتقل التيار المتناوب ويوزع إلى المحولات لخفض جهد التيار.
3. يصل التيار إلى معدلات السليكون، حيث يتم تحويله من تيار متناوب إلى تيار مستمر.
4. يتم تحويل التيار المستمر إلى خرج ثلاثي الطور بواسطة المحولات المساعدة.
5. عندما يصل التيار إلى محركات الجر المتصلة بالعجلات، فإنه يشغلها لتقوم بتدوير العجلات.
6. تُستخدم مراوح لتبريد المحرك والمحولات، لأنها تنتج حرارة عالية أثناء تشغيلها.