Việc lấy điện khi chạy cao tốc: Các biện pháp khắc phục việc mất tiếp xúc và cần tiếp điện tiếng ồn thấp
Thiết bị cấp điện trên cao kết hợp kiểu composite được sử dụng ở ĐS cao tốc shinkansen năm 1964 đã nhanh chóng chuyển sang hệ thống cấp điện trên cao kết hợp loại nặng vì số lượng đoàn tàu tăng lên. Mặc dù đường dây tiếp xúc của hệ thống này bị rỉ dẫn tới tiếng ồn khó chịu do hiện tượng phóng hồ quang tại chỗ mất tiếp xúc, song nó không phải là trở ngại đối với việc lấy điện.
Để nâng cao tốc độ trên tuyến shinkansen Tohoku, khoảng cách giữa các giá treo đường dây cấp điện đã được rút ngắn lại để phù hợp với đặc tính chấn động tiếp theo của cần tiếp điện; đồng thời các lò xo được bổ sung vào giữa đầu tiếp điện và đế trượt.
Mặc dù sự cải thiện nhờ những biện pháp này không thể hiện rõ, song tốc độ tối đa khi đó đã được nâng lên từ 210 km/h lên 240 km/h nhờ việc lắp thêm nắp che cần tiếp điện, việc giảm số lượng cần tiếp điện và việc lắp thêm thanh dẫn cao áp nối giữa các cần tiếp điện.
Các thay đổi dẫn tới việc mòn đế trượt lớn, các đế trượt này được làm rộng ra như là biện pháp tạm thời. Điều bất ngờ là biện pháp này đã hạn chế được việc mòn gây mấp mô sau này khi RTRI phân tích đã xác định được nguyên nhân gây mòn mấp mô đường dây tiếp xúc, do đó cuối cùng đã giải quyết được vấn đề này.
RTRI đã tiến hành nghiên cứu hệ thống cấp điện trên cao từ những năm 1980 trước khi tiếp tục nâng cao tốc độ và phát triển các lý thuyết lấy điện ở tốc độ cao trên cơ sở tốc độ truyền sóng. Vì việc mất tiếp xúc là rất nhỏ khi tốc độ tối đa của đoàn tàu thấp hơn 70% tốc độ truyền sóng, vì thế tốc độ truyền sóng phải được nâng lên để nâng cao tốc độ tối đa của đoàn tàu. Nói một cách đơn giản, điều này có nghĩa là nâng sức căng của đường dây tiếp xúc và giảm trọng lượng của nó. Các biện pháp này trong thực tế rất khó khăn khi sử dụng dây hợp kim đồng, vì thế một dây mới được phát triển vào năm 1986. Dây mới này có lõi thép và ngoài phủ nhôm song năm 1991 dây này lại được thay đổi sang dây lõi thép, ngoài phủ đồng để tạo điều kiện thay thế được dễ dàng.
Vào những năm 2000, đường dây tiếp xúc lõi thép ngoài phủ đồng mới được đưa vào sử dụng có tiết diện mặt cắt ngang 110mm2, lực căng là 19,6kN và tốc độ truyền sóng đã được nâng lên từ 355 km/h đối với dây hợp kim đồng thông dụng tới 519 km/h. Điều này đảm bảo việc lấy điện ổn định với tốc độ vận hành lên tới 360 km/h. Ngoài ra, kết cấu hệ thống cấp điện trên cao đơn giản đã giảm đáng kể chi phí thiết bị đường cấp điện trên cao. Các đường dây tiếp xúc trên cao hiện có đều có thể thay thế song lực căng được tăng lên khi vẫn giữ đường dây hiện có.
Trong khi đó, các nhà khai thác trong nhóm JR tiến hành thiết kế các cần tiếp điện đơn giản hơn để giảm tiếng ồn khí động. Cần tiếp điện do ĐS Đông Nhật phát triển năm 2002 là loại đơn giản nhất và thậm chí không cần nắp che. Cần tiếp điện trên là một ví dụ của cần tiếp điện dùng cho đoàn tàu cao tốc series 800 của ĐS Kyushu năm 2004.
Hiện nay, hầu hết các đoàn tàu shinkansen đều có hai cần tiếp điện được nối bằng một cáp điện áp cao.
Hệ thống động lực
Đoàn tàu shinkansen EMU đầu tiên sử dụng nguồn điện xoay chiều 25 kV, 60 Hz một pha, dòng điện cấp này được hạ thế nhờ các biến áp và thiết bị nắn dòng sử dụng cầu diot silicon để cấp điện cho các động cơ một chiều. Các động cơ một chiều này được chuyển thành các máy phát điện khi hệ thống hãm động năng làm việc và năng lượng hãm được tiêu hao dưới dạng nhiệt năng thông qua các điện trở.
Các xe thử nghiệm loại 951 (1969) sử dụng bộ đổi điện (chopper) cho hệ thống hãm còn các xe thử nghiệm loại 961 (1973) sử dụng kiểm soát pha bằng cầu bán dẫn thyristor. Tuy nhiên, hệ thống động lực của tàu shinkansen EMU series 0 rất ổn định, vì thế về cơ bản nó không thay đổi.
Tàu shinkansen EMU series 200 vận hành trên tuyến shinkansen Tohoku và Joetsu (1980) sử dụng công nghệ động lực của các xe thử nghiệm loại 951 và 961 với việc điều khiển pha bằng thyristor để tăng giảm tốc và điều khiển điện chở bằng thiết bị đổi điện (chopper) cho việc hãm. Điều này giúp cải thiện độ bám khi có tuyết. Đoàn EMU series 100 năm 1985 cũng sử dụng việc điều khiển pha bằng thyristor đối với động lực đoàn tàu và hãm đĩa dùng dòng phu cô được phát triển cho các xe kéo theo. Việc đưa vào các xe kéo theo đã cắt giảm được chi phí và trọng lượng.
Hệ thống động cơ cảm ứng xoay chiều dùng bộ rung biến tần, biến áp bộ biến điện 4 phần tư chu kỳ, được phát triển từ năm 1985 cho ĐS cao tốc shinkansen Hokuriku có dốc lớn và dài gần như đã được hoàn tất vào cuối những thập niên của ĐS Quốc gia Nhật (JNR). Tuy nhiên, việc xây dựng tuyến ĐS cao tốc shinkansen Hokuriku bị chậm so với kế hoạch nên công nghệ này lần đầu tiên được đưa vào áp dụng thực tế trên đoàn tàu EMU series 300 của ĐS Trung Nhật (1990). Tất cả các đoàn tàu shinkansen EMU được đưa vào sử dụng sau series 300 này đều sử dụng công nghệ này. Các đoàn EMU mới này có trang bị hãm động năng cùng với các thiết bị điện nhỏ và nhẹ hơn cho phép giảm trong lượng lớn, đóng góp vào việc nâng cao tốc độ chạy tàu. Yếu tố công suất cũng có thể kiểm soát được đảm bảo việc sử dụng có hiệu quả cao năng lượng điện nhận được và hạn chế sự gia tăng dòng điện nhận được cần thiết cho việc nâng tốc độ.
Thoạt đầu, các thyristor GTO được sử dụng cho bộ biến điện và bộ rung VVVF song chúng đã được thay thế bằng các transitor có cực điều khiển cách ly (linh kiện bán dẫn công suất ba cực điều khiển bằng điện áp - IGBT) nhằm làm giảm tối đa dòng điện cảm ứng cản trở và các vấn đề khác. Cái được gọi là điều khiển vectơ cũng được sử dụng do đặc tính độ bám cao của nó và để giảm việc gia tăng cự ly hãm khi vận hành ở tốc độ cao hơn. Khoảng cách hãm cũng đồng thời được cắt giảm nhờ việc phun các hạt gốm lên ray để tăng độ bám.
Asahi Mochizuki
(Theo Japan Railway & Transport Review No. 57, 58)