軌道上的交流電與直流電

臺灣早在1970年代開始有電氣化鐵路,最近完成了整個環島鐵路幹線電氣化的里程碑。除了電氣化鐵路外,捷運、高鐵、輕軌等等,也都是以電力在軌道上行駛的大眾運輸工具。或許有些人有發現這些工具有的使用交流電源,有的使用直流電源,這篇就來談談這個原因。

在19世紀,交流電系統因為容易改變電壓、可以輸送較遠的優點在電流大戰中脫穎而出,而另一篇「讓電力驅動車輛的馬達」中我們提到現在的電動車輛,為了效率與更線性地控制出力與速度,多是使用變頻控制的交流馬達。在這樣的狀況下,因為不同應用場合的取向,而有了交流電、直流電兩大類的供電系統。

交流電
目前台鐵、台灣高鐵使用的都是25kV交流電供電系統;因為營運路線很長,且可能經過一些較偏僻的地區,使用如此高的電壓較能減少耗損、確保輸送容量。列車的集電弓接取電源後,會經過真空斷路器、主變壓器、整流器等將電壓降低並轉為直流電,再供應給馬達的變頻控制器,驅動交流馬達提供列車動力。也因為電壓很高、需要的淨空區域較大,因此以高架電線供電為主,目前在電路設計上,也會考量回流線路、變壓器串接等設計,確保長距離輸送時的品質。

直流電
臺灣大多數的捷運、輕軌系統使用的都是750V直流電供電系統,而日本許多都會區的電車或地鐵系統使用1500V直流電供電系統;這和在都會區車站密集有很大的關係,首先是有較多的道旁空間可以設置電氣設備,因此每段直流供電區間不用太長,可以避免長距離傳輸的耗損。再來是車站密集連帶使得列車加減速頻繁,使用電壓較低的直流電,可以直接供應馬達的變頻控制器,毋需大功率的主變壓器、整流器等,大幅減少車上設備的重量,有助於提升能源效率。另一方面,因為電壓較低、周圍需要的淨空也較少,可以做成第三軌供電系統,使隧道需要的截面積較小、降低施工成本。

電動車快速充電
電動車快速充電使用直流供電的理由和捷運、輕軌系統使用直流供電的原因類似;電池充電需要的是直流電,使用交流電源充電時,電動車會使用平常減速回收動能時用的整流器與電路,能處理的功率較小。如果要應付快速充電需求,就要有更大功率的變壓器與整流器,如果由快速充電站供應直流電,車輛就可以直接為電池充電,不需要在車上裝設大功率的變壓器與整流器,減少車重與空間佔用,行駛時也就有較好的能源效率。

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *