¿Cuánta electricidad necesita un tren maglev para elevarse?
De hecho, en las décadas de 1950 y 1960, los ferrocarriles se consideraban una industria de transporte en decadencia. Debido a los fuertes desafíos de los oponentes al transporte, como la aviación y las carreteras, su velocidad de avance lento se ha vuelto cada vez más inadecuada para el rápido flujo de logística y personas en la sociedad industrial moderna. Sin embargo, desde la década de 1970, especialmente en los últimos años, a medida que los ferrocarriles de alta velocidad se han convertido en el foco de atención mundial, los ferrocarriles han recuperado una posición fundamental en los patrones de transporte de varios países. La velocidad de los trenes en Francia, Japón, Rusia, Estados Unidos y otros países ha aumentado rápidamente de 200 kilómetros por hora a 300 kilómetros por hora. Según la predicción de la Conferencia Internacional de Ferrocarriles celebrada en 1995, a finales de este siglo la velocidad de funcionamiento de los ferrocarriles de alta velocidad en Alemania, Japón, Francia y otros países alcanzará los 360 kilómetros por hora.
Sin embargo, para mantener los trenes funcionando a velocidades tan altas, el sistema tradicional de ruedas y rieles es impotente. Esto se debe a que los ferrocarriles adhesivos tradicionales entre ruedas y rieles utilizan la adherencia entre las ruedas y los rieles para hacer avanzar el tren. Su coeficiente de adherencia disminuye con el aumento de la velocidad del tren, pero su resistencia a la marcha aumenta con el aumento de la velocidad del tren. El límite se alcanza cuando la velocidad aumenta hasta la intersección de la curva del coeficiente de adherencia y la curva de resistencia a la conducción. Según los cálculos de los investigadores, la velocidad máxima de los trenes de ruedas convencionales es de unos 350-400 kilómetros por hora. Si se tienen en cuenta el ruido, las vibraciones, el desgaste de ruedas y rieles y otros factores, la velocidad real no puede alcanzar la velocidad máxima. Por tanto, los trenes de alta velocidad que circulan en Europa y Japón tienen poco potencial de velocidad. Para aumentar aún más la velocidad, debemos recurrir a una nueva tecnología, que es un tren no convencional: el tren maglev.
Aunque todavía llamamos "ferrocarril" a la vía del tren maglev, estas dos palabras no son lo suficientemente apropiadas. Tomemos como ejemplo las vías del ferrocarril. De hecho, ya no existe. Sólo quedaba una pista y no se podía llamar "pista" porque las ruedas no pasaban por ella. De hecho, los trenes maglev ni siquiera tienen ruedas. Este súper tren que circula por el "ferrocarril" no tiene locomotora de tracción en el sentido tradicional. Al correr, no toca el suelo, sino que "vuela" a una altura de 10 cm de la pista. Maglev es un sistema de tren maglev de alta velocidad con sistemas de levitación, guía y accionamiento electromagnéticos sin contacto. Con una velocidad de más de 500 kilómetros por hora, es actualmente el transporte terrestre de pasajeros más rápido del mundo. Tiene las ventajas de velocidad rápida, gran capacidad de ascenso, bajo consumo de energía, bajo nivel de ruido durante la operación, seguridad y comodidad, sin consumo de combustible y baja contaminación. Y adopta el método elevado, que ocupa menos tierra cultivada. Los trenes Maglev utilizan el principio básico del magnetismo para hacer levitar estos trenes sobre rieles guía, reemplazando a los antiguos trenes con ruedas y rieles de acero. La tecnología de levitación magnética utiliza fuerza electromagnética para levantar todo el vagón del tren, eliminando la molesta fricción y los desagradables ruidos metálicos, y logrando un "vuelo" rápido sin tocar el suelo ni el combustible.
El conocimiento de la física nos dice que dos imanes se repelen cuando están cerca del mismo polo, y se atraen cuando están cerca de polos opuestos. La aparentemente misteriosa fuerza de levitación que sostiene el tren maglev son en realidad dos fuerzas de atracción y repulsión.
Según la definición precisa, el tren maglev en realidad suspende el tren en el aire y lo guía mediante atracción electromagnética o repulsión eléctrica, de modo que no hay contacto mecánico entre el tren y la vía terrestre, y luego el motor lineal impulsa el tren para que funcione. Aunque el tren maglev todavía pertenece al sistema de tránsito ferroviario terrestre y conserva muchas características de las locomotoras y vehículos tradicionales, como vías, desvíos, bogies de vehículos y sistemas de suspensión, no hay contacto mecánico entre el tren y la vía durante la operación de tracción, lo que Supera fundamentalmente los problemas que los trenes tradicionales tienen como adherencia rueda-carril, ruido mecánico y desgaste, por lo que pueden convertirse en el transporte terrestre ideal con el que sueña la gente.
Basándonos en los principios básicos de gravedad y repulsión, existen dos direcciones de desarrollo para los trenes maglev en el mundo. Uno de ellos es el sistema de levitación magnética convencional, el sistema EMS, representado por Alemania. El principio básico de utilizar electroimanes convencionales para atraer sustancias generales que contienen hierro es aspirar el tren y hacerlo levitar. El espacio de aire de la suspensión es relativamente pequeño, generalmente de unos 10 mm. Los trenes Maglev de alta velocidad normalmente guiados pueden alcanzar velocidades. de 400 a 500 kilómetros por hora y son adecuados para el tránsito rápido de larga distancia.
El otro es un sistema de levitación exclusivo representado por el sistema EDS de Japón, que utiliza el principio de levitación magnética superconductora para generar una fuerza repulsiva entre las ruedas y los rieles, permitiendo que el tren opere en levitación. El espacio de aire de levitación de este tipo de tren maglev es relativamente grande, generalmente de unos 100 mm, y la velocidad puede alcanzar más de 500 kilómetros por hora. Aún no se ha decidido cuál de las dos tecnologías es mejor, pero lo que esperamos es que el tren maglev de nuestro país pueda resistir a nivel internacional.
El tren maglev es el avance más fundamental en la tecnología ferroviaria desde la llegada de la locomotora de vapor "cohete" de Stephenson hace unos 200 años. El tren maglev parece ser algo nuevo hoy en día, pero su preparación teórica existe desde hace mucho tiempo. La investigación sobre la tecnología de levitación magnética se originó en Alemania. Ya en 1922, el ingeniero alemán Hermann Johnson propuso el principio de la levitación electromagnética y solicitó una patente para un tren maglev en 1934. Después de la década de 1970, a medida que la fuerza económica de los países industrializados del mundo seguía aumentando, los países desarrollados como Alemania, Japón, Estados Unidos, Canadá, Francia y el Reino Unido comenzaron a planificar el desarrollo de sistemas de transporte maglev para mejorar sus capacidades de transporte. y satisfacer sus necesidades de desarrollo económico. Sin embargo, Estados Unidos y la ex Unión Soviética abandonaron este proyecto de investigación en los años 1970 y 1980, respectivamente. Actualmente, sólo Alemania y Japón continúan estudiando sistemas de levitación magnética y ambos han logrado avances significativos. La siguiente es una breve introducción al estado de la investigación de los ferrocarriles maglev en los principales países del mundo.
Japón comenzó a investigar el ferrocarril Maglev de conductancia constante en 1962. Desde entonces, debido al rápido desarrollo de la tecnología superconductora, la investigación sobre ferrocarriles maglev superconductores comenzó a principios de la década de 1970. En 1972, se llevó a cabo el primer experimento exitoso con un tren maglev superconductor de 2,2 toneladas y su velocidad alcanzó los 50 kilómetros por hora. . De 1977 a 65438+2 meses, la velocidad máxima en la línea de prueba del ferrocarril Miyazaki Maglev alcanzó los 204 kilómetros por hora, y de 1979 a 65438+2 meses aumentó aún más a 517 kilómetros por hora. En junio de 1982, la prueba tripulada del tren maglev tuvo éxito. En 1995, la velocidad máxima del tren maglev tripulado alcanzó 411 kilómetros por hora durante la prueba. Para estudiar la viabilidad de construir un ferrocarril Maglev entre Tokio y Osaka, la línea de prueba del ferrocarril Maglev de Yamanashi comenzó a construirse en 1990, y la primera fase de la línea de prueba de 18,4 km se completó en 1996.
La investigación en Alemania sobre los ferrocarriles maglev comenzó en 1968 (la entonces República Federal de Alemania). Al comienzo de la investigación, se dio igual importancia a la conductividad normal y a la superconductividad. En 1977 se desarrollaron vehículos de prueba para la atracción de imanes de conductividad constante y la repulsión de electroimanes superconductores. La velocidad máxima durante la prueba alcanzó los 400 km/h. Posteriormente, tras análisis y comparaciones, se llegó a la conclusión de que el nivel técnico requerido para los ferrocarriles maglev superconductores era demasiado alto y no se podían lograr avances importantes en un corto período de tiempo, por lo que se decidió centrarse únicamente en el desarrollo de trenes guiados normalmente. ferrocarriles maglev en el futuro. En 1978, se decidió construir una línea de pruebas de 31,5 km en Armsland. La construcción comenzó en 1980 y las pruebas de conducción no tripulada comenzaron en 1982. La velocidad máxima de prueba del tren alcanzó los 300 kilómetros por hora a finales de 1983 y se incrementó hasta 400 kilómetros por hora en 1984. En la actualidad, la tecnología alemana en la investigación de ferrocarriles maglev ha madurado.
En comparación con Japón y Alemania, la investigación sobre ferrocarriles maglev en el Reino Unido comenzó relativamente tarde, a partir de 1973. Sin embargo, el Reino Unido fue uno de los primeros países en poner en funcionamiento comercial los ferrocarriles maglev. En abril de 1984 se abrió oficialmente al tráfico un ferrocarril Maglev de 600 metros de longitud entre el aeropuerto de Birmingham y la estación Intertenar. Los pasajeros pueden tomar el tren maglev desde el aeropuerto de Birmingham hasta la estación de tren Interna Xiongnar en sólo 90 segundos. Lamentablemente, en 1995 se anunció el cierre del que fuera el único tren comercial del mundo después de 11 años de funcionamiento y su misión de transportar pasajeros fue sustituida por el autobús lanzadera del aeropuerto.
El tren maglev se compone principalmente de un sistema de suspensión, un sistema de propulsión y un sistema de guiado. Aunque existen sistemas de propulsión que no dependen de imanes, en la mayoría de los diseños actuales las funciones de estas tres partes se realizan mediante imanes.
Sistema de suspensión: El diseño actual de los sistemas de suspensión se puede dividir en dos direcciones, a saber, el tipo conductor normal utilizado en Alemania y el tipo superconductor utilizado en Japón. En términos de tecnología de suspensión, se encuentran el sistema de suspensión electromagnética (EMS) y el sistema de suspensión eléctrica (EDS).
El sistema de levitación electromagnética (EMS) es un sistema de levitación gravitacional producido por la atracción mutua entre electroimanes combinados en la locomotora y vías ferromagnéticas en los rieles guía.
Cuando funciona un tren maglev normalmente guiado, primero se ajusta la atracción electromagnética de la suspensión y los electroimanes guía en la parte inferior del vehículo, y el tren levita a través de la reacción magnética con los devanados a ambos lados de la vía terrestre. Bajo la acción de los electroimanes guía y los imanes de vía en la parte inferior del vehículo, las ruedas y orugas mantienen una cierta distancia lateral, logrando un soporte sin contacto y una guía sin contacto de las ruedas y orugas en las direcciones horizontal y vertical. La distancia de suspensión entre el vehículo y la pista de rodadura es de 10 mm, garantizada por un sistema de ajuste electrónico de alta precisión. Además, dado que la levitación y la guía son prácticamente independientes de la velocidad de funcionamiento del tren, el tren aún puede entrar en estado de levitación incluso cuando está detenido.
Los sistemas de levitación eléctrica (EDS) utilizan imanes en una locomotora en movimiento para generar una corriente eléctrica en un riel guía. A medida que disminuye el espacio entre la locomotora y el riel guía, aumenta la repulsión electromagnética, proporcionando soporte y guía estables para la locomotora. Sin embargo, la locomotora debe estar equipada con un dispositivo similar a una rueda para sostenerla eficazmente durante el "despegue" y el "aterrizaje" porque EDS no puede garantizar la levitación cuando la velocidad de la locomotora es inferior a aproximadamente 25 mph. Los sistemas EDS se han desarrollado enormemente gracias a la tecnología superconductora de baja temperatura.
La característica más importante del tren maglev superconductor es que sus elementos superconductores son completamente conductores y diamagnéticos a temperaturas muy bajas. Los imanes superconductores consisten en bobinas superconductoras hechas de material superconductor. No solo tiene resistencia a la corriente cero, sino que también puede conducir corrientes potentes que los cables comunes no pueden igualar. Esta característica permite fabricar electroimanes de pequeño tamaño y gran potencia.
Los vehículos del tren maglev superconductor están equipados con imanes superconductores a bordo para formar un dispositivo integrado de energía de inducción, mientras que los devanados de accionamiento del tren y los devanados guía de suspensión están instalados en ambos lados de los rieles guía de tierra. El dispositivo integrado de potencia de inducción del vehículo consta de devanados integrados de potencia, imanes superconductores integrados de potencia de inducción e imanes superconductores guiados suspendidos. Cuando se proporciona corriente alterna trifásica consistente con la velocidad y frecuencia del vehículo a los devanados de accionamiento en ambos lados de la vía, se generará un campo electromagnético en movimiento, generando así ondas electromagnéticas en los rieles guía del tren. En este momento, el imán superconductor a bordo del tren recibirá un empuje sincronizado con el campo magnético en movimiento, y es este empuje el que impulsa el tren hacia adelante. Funciona igual que navegar. El surfista se sitúa en la cresta de la ola, siendo empujado por las olas. Los trenes maglev superconductores se enfrentan al mismo problema que los surfistas: cómo controlar con precisión el movimiento en el pico de las ondas electromagnéticas en movimiento. Por lo tanto, se instalan instrumentos de alta precisión para detectar la posición de los vehículos en los rieles guía del suelo, y el método de suministro de corriente alterna trifásico se ajusta de acuerdo con la información de los detectores, controlando así con precisión la forma de onda electromagnética y haciendo que el tren corre bien.
Sistema de propulsión: El tren maglev es impulsado por el principio de motor lineal síncrono. La bobina del electroimán apoyada en la parte inferior del vehículo funciona como bobina de excitación del motor lineal síncrono. El devanado de campo magnético móvil trifásico en el interior de la pista de tierra funciona como armadura y el devanado largo del estator del motor síncrono. motor lineal. Se puede ver en el principio de funcionamiento del motor que cuando se energiza la bobina del inducido como estator, el rotor del motor gira debido a la inducción electromagnética. De manera similar, cuando las subestaciones dispuestas a lo largo de la línea proporcionan energía trifásica en FM y AM a los devanados de accionamiento dentro de la vía, debido a la inducción electromagnética, el sistema de rodamientos y el tren se empujan entre sí para realizar un movimiento lineal similar al "rotor". de un motor. Por lo tanto, en estado suspendido, el tren puede lograr tracción y frenado sin contacto.
En términos generales, la corriente alterna que fluye en una bobina ubicada a ambos lados de una vía convierte la bobina en un electroimán. A medida que interactúa con el electroimán superconductor del tren, el tren arranca. El tren avanza porque el electroimán (polo N) en la parte delantera del vagón es atraído por el electroimán (polo S) instalado anteriormente en la vía y, al mismo tiempo, es repelido por el electroimán (polo N) instalado en la pista más tarde. A medida que el tren avanza, la dirección de la corriente en la bobina se invierte. El resultado es que la bobina de polo S original ahora se convierte en una bobina de polo N y viceversa. De esta forma, el tren puede seguir avanzando gracias al cambio de polaridad electromagnética. Dependiendo de la velocidad del vehículo, el convertidor de potencia regula la frecuencia y el voltaje de la corriente alterna que fluye por las bobinas.
Los sistemas de propulsión se pueden dividir en dos tipos. El sistema de propulsión de "estator largo" utiliza motores lineales enrollados alrededor de rieles guía como parte de potencia de los trenes maglev de alta velocidad. Debido al alto coste de los carriles guía, son caros. El sistema de propulsión de "estator corto" utiliza un motor de inducción lineal (LIM) envuelto en una pista pasiva. Si bien el sistema de estator corto reduce el costo de los rieles, el LIM es demasiado pesado para reducir la capacidad de carga útil indicada, lo que resulta en costos operativos más altos y un menor potencial de ingresos que el sistema de estator largo. El uso de sistemas de energía no magnéticos también aumentará el peso de la locomotora y reducirá la eficiencia operativa.
Sistema de guía: El sistema de guía es una fuerza de orientación que garantiza que la locomotora suspendida pueda moverse a lo largo del carril guía. El empuje necesario es similar a la fuerza de levitación y también se puede dividir en atracción y repulsión. El mismo solenoide en el piso de la locomotora puede alimentar tanto el sistema de guía como el sistema de suspensión, o se pueden usar electroimanes separados para el sistema de guía.
Como el transporte terrestre más rápido actualmente, la tecnología de trenes maglev tiene ventajas que otras tecnologías de transporte terrestre no pueden igualar:
En primer lugar, supera los principales obstáculos para acelerar los tradicionales trenes de ruedas. ferrocarriles, amplias perspectivas de desarrollo. El primer ferrocarril de ruedas apareció en 1825. Después de 140 años de duro trabajo, su velocidad de funcionamiento sólo ha superado los 200 km/h. Fue necesario casi 30 años para pasar de 200 km/h a 300 km/h. Aunque la tecnología sigue avanzando y desarrollándose, no hay mucho margen para ello. mayor aumento de velocidad. Pero es muy difícil. También es importante señalar que los ferrocarriles de ruedas funcionan a altas velocidades. El coste de un ferrocarril de alta velocidad con una velocidad de 300 kilómetros por hora es casi el doble que el de un ferrocarril de cuasialta velocidad con una velocidad de 200 kilómetros por hora, y de 3 a 8 veces mayor que el de un ferrocarril ordinario con una velocidad de 120 kilómetros por hora. Si las velocidades continúan aumentando, sus costos aumentarán significativamente. Por el contrario, el primer tren maglev en miniatura del mundo apareció en Alemania en 1969 y se fabricó en Japón en 1972. Pero sólo diez años después, en 1979, la tecnología de trenes maglev estableció un récord de velocidad de 517 km/h. La tecnología ahora está madura y puede entrar en la etapa de construcción para una operación real de 500 km/h.
En segundo lugar, la velocidad de los trenes Maglev es alta. Los trenes Maglev ordinarios pueden alcanzar entre 400 y 500 km/h, y los trenes Maglev superconductores pueden alcanzar entre 500 y 600 km/h para el transporte de pasajeros. aumentar la velocidad es acortar el tiempo de viaje de los pasajeros, por lo que los requisitos de velocidad operativa están estrechamente relacionados con la longitud de la distancia recorrida. Varios medios de transporte juegan un papel clave en las diferentes distancias de viaje en función de sus propias características como velocidad, seguridad, comodidad y economía. El análisis de los expertos sobre el tiempo total de viaje y la distancia recorrida de varios medios de transporte muestra que, considerando el tiempo total de viaje, cuando la distancia recorrida es inferior a 700 km, el tren-rueda de alta velocidad de 300 km/h es mejor que el avión. . El maglev de alta velocidad de 500 km/h recorrerá más de 1.500 km.
En tercer lugar, los trenes maglev tienen un bajo consumo de energía. Según investigaciones japonesas y resultados de pruebas reales, a la misma velocidad de 500 km/h, el consumo de energía por asiento-kilómetro de un tren maglev es sólo 1/3 del de un avión. Según experimentos realizados en Alemania, cuando el tren TR Maglev alcanza una velocidad de 400 kilómetros por hora, su consumo de energía por asiento-kilómetro es el mismo que el de un tren de ruedas de alta velocidad con una velocidad de 300 kilómetros por hora. Si además la velocidad del tren Maglev se reduce a 300 kilómetros por hora, su consumo de energía por asiento-kilómetro es un 33% menor que el del tren de ruedas.
Aunque la tecnología del tren maglev tiene muchas de las ventajas anteriores, todavía existen algunas desventajas:
1. Dado que el sistema maglev depende de la fuerza electromagnética para completar las funciones de levitación, guía y conducción, cortes de energía Las medidas de seguridad para el maglev trasero, especialmente el problema de frenado de los trenes después de un corte de energía, siguen siendo cuestiones que deben resolverse. Su estabilidad y confiabilidad a alta velocidad requieren pruebas a largo plazo.
2. La tecnología de levitación magnética normalmente conductiva tiene una altura de levitación baja, por lo que los requisitos de planitud de la línea, asentamiento de la subrasante y estructura de desvío son más altos que los de la tecnología superconductora.
3. La tecnología de levitación magnética superconductora consume más energía que la tecnología de levitación magnética convencional debido al efecto de las corrientes parásitas y su sistema de refrigeración es voluminoso. Los fuertes campos magnéticos tienen un impacto en el cuerpo humano y el medio ambiente.