MAGLEV voz

Šangajski Maglev voz

Maglev je potpuno novi pristup u pokretanju električnih vozila.

Kako je za potrebe razvijanja velikih brzina potrebno smanjiti otpore kretanja, a istovremeno povećati vučnu silu motora, inženjeri su pristupili rešavanju ovog problema. Posebnu pažnju je trebalo obratiti na stalne otpore kretanja (u ležajevima, usled kotrljanja pogonskog točka i usled otpora vazduha) i na povremene otpore kretanja (otpore u krivini i otpore pri usponu). Otpor vazduha je umanjen time što su vozila konstruisana tako da budu aero dinamičkih oblika i malih koeficijenta trenja u odnosu na vazduh. Rešenje za ostale otpore je viđeno u primeni magnetne levitacije, pri čemu ne postoji kontakt između voza i podloge pa samim tim nema ni sile trenja u ležajevima točka i trenja usled kotrljanja.

Takođe veliki problem konvencionalnog pokretanja vozila predstavlja adhezija koja nam ograničava vučnu silu koju možemo primeniti na vozilo i karakteristiku motora koju moramo imati u vučnom vozilu. Usled adhezije vozilo mora imati tvrdu mehaničku karakteristiku pri polasku da ne bi došlo do proklizavanja. Za brze vozove koji se pokreću na konvencionalan način potrebno je i do 50 km da bi se ubrzalo od 0 do 300 km/h. Pošto kod magnetske levitacije ne postoji ograničenje adhezije ubrzanje od 0 do 300 km/h može se postići u prvih 5 km.

Maglev tehnologija poznata je već dugi niz godina. Patent na nju su dobila dva Amerikanca u oktobru 1969. godine ali prepreku daljem i razlog sporog razvoja ovog tipa prevoza predstavljale su loše karakteristike postojećih materijala i slabo, za potrebe maglev-a, razvijena precizna elektronika tog vremena.

Prva svetska “pruga” na bazi magnetne levitacije koja je korišćena u komercijalne svrhe je izgrađena u Birminghamu u Velikoj Britaniji 1985. godine. Bila je duga 600 m i povezivala je aerodrom sa obližnjom železničkom stanicom. Mali šatl je levitirao na visini od 15 mm. Ipak zbog brojnih problema posle 11 godina zamenjen je običnim vozom.

Do sada najviše uspeha u uzgradnji konvencionalne maglev pruge je imao nemački Transrapid koji je zaslužan za izgradnju Šangajske pruge dužine 30 km koja povezuje centar Šangaja i novi šangajski aerodrom u Pudongu. Maksimalna dostignuta brzina na ovoj pruzi iznosi 501 km/h. Do 2010. planirano je produženje ove pruge na oko 160 km. To je do danas ostala jedina konvencionalna pruga sa maglev tehnologijom u svetu.

Najviše uspeha u razoju maglev tehnologije imale su Nemačka i Japan. Japan kao jedna od vodećih tehnoloških sila sveta sa velikim brojem gusto naseljenog stanovništva ulaže ogromna sredstva u razvoj brzog i efikasnog prevoza. Istraživanja u Japanu u ovoj oblasti počela su još 1970. godine. Japan danas drži svetski rekord koji je postignut na jednoj pruzi i on iznosi 581 km/h. Postignut je 2. decembra 2003. godine.

Istorijski razvoj

• 1970. - Formalni početak istraživanja elektro dinamičkih sistema levitacije koji koriste super provodne magnete.

• 1972. - Test vozilo (LSM200) na pogon sa linearnim sinhronim motorom (LSM) uspešno je prošlo levitacioni test
  • Test vozilo (ML100) na pogon sa linearnim indukcionim motorom (ML) uspešno je prošlo levitacioni test

• 1975. - Test vozilo (ML100A) na pogon sa linearnim sinhronim motorom (LSM) uspešno je izvršilo perfektno beskontaktno kretanje

• 1977. - Otvoren Mijazaki test centar i izvršena prva test vožnja vozila ML-500 sa takozvanom T prugom.

• 1979. - Simulirana vožnja kroz tunel vozila ML-500
  • Ostvarena vožnja sa helijumskim hlađenjem na vozilu ML-500R
  • Postignuta brzina od 517 km/h

• 1980. - Počinju testovi na vozilu MLU001 i ugradnja pruge tipa U u Mijazaki test centru

• 1981. - Počinju testovi voza sa 2 vagona

• 1982. - Počinju testovi voza sa 2 vagona sa putnicima

• 1986. - Voz sa 3 vagona dostigao je brzinu od 352,4 km/h

• 1987. - Voz sa 2 vagona bez putnika postigao je brzinu od 405,3 km/h
  • Voz sa putnicima dostigao brzinu od 400,8 km/h
  • Počinju testovi na vozilu MLU002

• 1988. - Uspešno izvršen test sa skretnicom u stanici

• 1989. - Testirane vazdušne kočnice na vozilu MLU001
  • Postignuta brzina od 394 km/h pomoću vozila MLU002

• 1990. - Započeti testovi na prvoj pokretnoj skretnici
  • Proslava početka izgradnje Jamanaši Maglev test pruge

• 1991. - Započeti testovi na vozilima sa bočnom levitacijom
  • Započeti testovi na vozilima koji se napajaju energijom iz invertora
  • MLU002 izgoreo u incidentu sa vatrom

• 1993. - Započeti testovi na vozilu MLU002N

• 1994. - Test vozilo MLU002N dostigao brzinu od 431 km/h

• 1995. - Test vozilo MLU002N sa putnicima dostiglo brzinu od 411 km/h

• 1996. - Otvorena Jamanaši Maglev test pruga
  • Započeti testovi vozila MLH01 sa vučnom lokomotivom

• 1997. - Započeti testovi vozila MLH01 na Jamanaši Maglev test pruzi
  • Vozilo MLH01 sa putnicima dostiglo brzinu od 531 km/h
  • Vozilo MLH01 bez putnika dostiglo brzinu od 550 km/h

• 1998. - Izvršeni testovi mimoilaženja vozova pri relativnoj brzini od 966 km/h

• 1999. - Vozilo MLH01 sa 5 vagona dostigao brzinu od 548 km/h
  • Vozilo MLH01 sa 5 vagona sa putnicima dostigao brzinu od 548 km/h
  • Izvršeni testovi mimoilaženja vozova pri relativnoj brzini od 1.003 km/h

• 2000. - Uprava Ministarstva Transporta Japana odlučila: "Maglev je upotrebljiv za ultra brzi masovni prevozni sistem"
  • Ukupna pređena razdaljina prešla 100.000 km
• 2001. - Njihovo Kraljevsko Visočanstvo Princ i Princeza Akišino iskusili su probnu vožnju Maglev vozom

• 2002. - Ukupna pređena razdaljina prešla 200.000 km
  • Broj prevezenih putnika prešao 30.000
  • Započeta test vožnja nove kompozicije koja uključuje MLH01-901

• 2003. - Postignut maksimalni pređeni put u jednom danu od 1.219 km
  • Ukupan pređeni put prešao 300.000 kilo metara, a broj prevezenih putnika prešao 50.000
  • Postignut najduži pređeni put u jednom danu od 2.876 km
  • Vozna kompozicija sa troja kola i MLH01 sa putnicima dostigla brzinu od 581 km/h

• 2004. - Broj putnika Maglev vozila prešao 80.000
  • Ukupan pređeni put prešao 400.000 km
  • Izvršeni testovi mimoilaženja vozova pri relativnoj brzini od 1.026 km/h

• 2005. - Njegovo Kraljevsko Visočanstvo Princ Naruhito iskusio je probnu vožnju Maglev vozom

• 2006. - Odbor direktora centralne japanske železnice oficijelno potvrdio investicioni plan obnove i proširenja Jamanaši Maglev test pruge

Princip rada

Levitacija sa nultim fluksom patentirana je od strane RTRI (Railway Technical Research Institute) 1988. godine.

U vertikalnim zidovima pruge nalaze se kalemovi u obliku osmice sa nultim fluksom, dok su dva naspramna kalema spojena na sredini kao na slici.

Kad super provodni magnet (SCM), koji se nalazi montiran na vagonima voza, prođe pored kalemova u obliku osmice doći će do indukovanja elektromotorne sile u gornjem i donjem krugu namotaja.
To indukovanje struje kroz kalemove može se predstaviti sledećim jednačinama:

$\displaystyle {e_{1}}=-Is\cdot V{{\partial M_{S1}} \over {\partial x}}.$

i

$\displaystyle {e_{2}}=-Is\cdot V{{\partial M_{S2}} \over {\partial x}}.$

Gde Is predstavlja struju super provodnog magneta, V predstavlja brzinu kojom se kreće super provodni magnet, odnosno vozilo dok Ms1 i Ms2 predstavljaju međusobnu induktivnost prvog i drugog namota kalema u odnosu na super provodni kalem respektivno i X predstavlja osu kojom se kreće vozilo. Jednačina kola kalema će biti:

$\displaystyle 2{Ri_{L}}+2(L-M_{12}){{\partial i_{L}} \over {\partial t}}={e_{1}}-{e_{2}}$

Gde su R omska otpornost kalema, L samo induktivnost jednog kružnog dela kalema, a $M_{12}$ međusobna induktivnost dva kružna dela kalema.

Sistem uzajamnog delovanja magneta

Analiziranjem date jednačine možemo utvrditi da će struja kroz kalemove postojati samo ako su induktivnosti međusobno različite, odnosno ako su indukovane elektro motorne sile prvog i drugog kružnog dela kalema različite. Možemo zaključiti da struja u kalemu u obliku osmice neće postojati onda kada se super provodni kalem kreće tačno u srednjem nivou između dva kružna dela kalema u obliku osmice. Ako se super provodni kalem ne bi kretao u tom nivou u kalemu u obliku osmice indukovala bi se struja koja bi stvorila magnetsko polje jednog polariteta u gornjem namotu i suprotnog polariteta u donjem namotu, kao na slici.

Mana ovog sistema je to što se pri malim brzinama indukuje mala elektromotorna sila ${e_{1}}$ i ${e_{2}}$ pa samim tim je i mala struja kalema u obliku osmice pa nemamo dovoljnu magnetnu silu za podizanje vozila pri brzinama manjim od 150 km/h. Zbog toga, kod ovakve vrste levitacije, moramo koristiti točkove za zaletanje i takozvano "sletanje". Ovi točkovi se pri brzinama većim od 150 km/h povlače u karoseriju vagona, slično kao kod aviona.

Problem koji se javlja kod kalemova u obliku osmice su veoma male sile vučenja. Kada je vozilo u stanju ravnoteže i "leti" tačno između gornjeg i donjeg kruga kalema u obliku osmice u kalemu u obliku osmice se neće pojaviti struja, pošto se super provodni kalem voza nalazi u ravnoteži. Međutim tada vozilo može nesmetano da se kreće između vertikalnih zidova pruge i udariti u sam zid što predstavlja veliku opasnost. Da bi se rešio ovaj problem dva naspramna kalema u obliku osmice sa jedne i sa druge strane vertikalnog zida pruge dodatno se kratko spajaju po sredini kao na gornjoj slici. Ako se voz kreće sredinom pruge na jednakom rastojanju od obe strane vertikalnih zidova pruge može se pokazati da će se u gornjem delu kalema u obliku osmice sa obe strane vertikalnog zida pruge indukovati ista elektro motorna sila pa neće doći do stvaranja struje u gornjem ili donjem delu kalema u obliku osmice. Međutim ako se voz nalazi bliže nekom od kalema u tom kalemu će se indukovati veća elekromotorna sila u odnosu na isti kalem na suprotnom vertikalnom zidu pruge. Pošto su ova dva kalema u obliku osmice kratko spojena po sredini, proteći će struja iG kao na gornjoj slici. Pojava ove stuje dovešće do stvaranja magnetskih polja kao na slici desno:

Možemo primetiti da se u obe strane pruge indukuje magnetno polje istog znaka što dovodi da se rezultanantna sila ova dva magneta sabira kako bi se voz vratio u središnji položaj. Velika prednost ovog sistema je to što se voz nalazi u stabilnoj ravnoteži. Ako voz želi da se pokrene na više ili na niže doći će do pojave elektro magnetne sile koja teži da ga vrati u ravotežni položaj. Isto će se desiti i ako voz hoće da krene ulevo ili udesno ka bočnim zidovima pruge. Što se voz više približava nekom od bočnih zidova pruge rezultujuća elektro magnetna sila koja teži da ga vrati u ravnotežni položaj biće veća. Takođe u ravnotežnom položaju nema potrošnje energije na levitacuju i vođenje jer nema ni stuje u kalemovima u obliku osmice. I ovde važi da za male brzine ne postoji dovoljno velika elektro magnetna sila koja bi vratila voz u središnji položaj tako da moraju postojati točkovi za vođenje sa strane svakog vagona kako bi voz mogao da se kreće po pruzi pri malim brzinama. Za pogon koristimo linearni sinhroni motor. Izgled namota statora dat je na sledećoj slici.

Sistem napajamo pomoću trofaznih invertora. Frekvencija rada invertora može se menjati od 0 do 56 Hz, pri kojoj se ima brzina od 550 km/h. Privlačna i odbojna sila magneta koriste se za pokretanje voza. U bočnim vertikalnim zidovima pruge nalaze se namoti statora koji se napajaju trofaznim naizmeničnim sistemom napona i stvaraju linearno elektro magnetno polje duž pruge. Magnetno polje super provodnih magneta voza privučeni su ovim poljem što rezultira silom koja deluje na voz da se kreće u smeru kretanja linearnog polja duž pruge.
Tipovi Maglev vozova sadrže po 2 super provodna magneta SCM (Super Conducting Magnet) i oni predstavljaju jezgro ovog sistema. Svaki deo super provodnih magneta sastoji se iz 4 super provodna kalema. Oni su se pokazali kao visoko pouzdani i izdržljivi prilikm testova na modelima MLU001 i MLU002 na Mijazaki Maglev test pruzi.
Na vrhu super provodnog magneta nalaze se cilindrične posude u kojima se čuvaju kondenzovani helijum i azot. Helijum se koristi kao rashladno sredstvo za hlađene super provodnih kalemova kako bi oni pri sniženoj temperaturi od svega 50 do 100 kelvina imali svoje super provodne karakteristike. U donjem delu super provodnog magneta nalaze se super provodni kalemovi koji naizmenično generišu N i S magnetni pol. Na vrhu se takođe nalazi rashladni uređaj koji služi kako bi kondenzovao helijum koji je ispario u procesu apsorpcije toplote sa kalemova super provodnog magneta.

Maglev test vozovi

ML 500 test vozilo

ML-500 test vozilo kretalo se uz pomoć elektro dinamičkog sistema (EDS) i bilo je prvo vozilo testirano u Mijazaki test centru.

Napravljeno 1977. godine, ML- 500 bilo je vozilo bez mesta za putnike.

Pruga oblika obrnuto T korišćena je u testu.

Duž vozila se nalazilo 4 krio stata koji su svaki ponaosob sadržali 4 super provodna magneta (dva za vođenje i pokretanje i dva za levitaciju). Frižideri i kompresori za hlađenje helijuma nalazili su se pored pruge i krio stati vozila su punjeni helijumom pre svake test vožnje.

Tokom 3 godine ispitivanja, maksimalna brzina postignuta pomoću ML-500 vozila povećavala se samim poveüanjem trase pruge kojom se kretala. Tako je ML- 500 na pruzi dužine 1,3 km dostiglo brzinu od 132 km/h 1977. godine, na trasi dužine 3,1 km od 301 km/h 1978. godine i 517 km/h na 7 km dugačkoj trasi 1979. godine.

Tri cilja su postignuta ovim vozilom:

• velika brzina kretanja (do 517 km/č),
• merenje dinamičkih reakcija vozila na neregularnosti trase i
• rad sa simuliranim tunelom.

Iz ovog iskustva, principi rada i dizajna LSM pogonskog sistema, elektro dinamička suspenzija, super provodna magnetska tehnologija i sistem za napajanje električne energije su bili provereni.

MLU001 test vozilo bilo je prvo proizvedeno vozilo sa prostorom za prevoz putnika.

Sastojalo se iz 3 dela i koristilo je sistem levitacije sa U tipom pruge pri čemu je levitacija ostvarivana pomoću magneta koji su se nalazili horizontalno duž pruge, dok su se vođenje i pokretanje ostvarivali pomoüu magneta ugrađenih u vertikalnim zidovima pruge pri reakciji sa LSM-om ugrađenim u vozilo.

Kalemovi su pobuđivani iz spoljnog trofaznog izvora i bili su ukršteni kako bi obrazovali takozvani Nul-Fluks sistem za pogon i vođenje o kome će biti reči kasnije.

Vozilo MLU001 pušteno je u pogon decembra 1980. godine.

Cilj je bilo testirati vozilo u nekoliko operacija. Ono je sadržalo 32 mesta za putnike. Super provodni magneti, svaki sa 700 kA magnetno pobudne sile, bili su instalirani duž svakog vagona vozila sa obe strane vagona. Svaki vagon je imao osam namotaja u dva reda, sa po 4 magneta u svakom redu. Ovakav sistem ugradnje u bočne zidove vozila pokazao je da se uz pomoć njega može postići: levitacija, vođenje i pogon. Razni tipovi kriogenog sistema bili su testirani na MLU001 vozilu i pokazano je da se oni mogu koristiti, ali pouzdan kondenzator gasovitog helijuma u vozilu nije bio ostvaren.

MLU002 test vozilo konstuisano je 1987. godine. Glavna razlika između prototipa MLU001 i MLU002 jest to što su kod MLU002 vozila super provodni kalemovi bili vezani odvojeno od same konstukcije voza i vezani za takozvane nezavisne viseće delove i mogli su se nezavisno pokretati od vagona, slično konvencionalnim točkovima. Usled toga, broj super provodnih magneta bio je smanjen što se odrazilo na povećanje snage polja super provodnih magneta koji su se koristili. Ovo je rezultiralo smanjenju težine vozila i povećanju prostora za prevoz robe ili putnika.

MLU002N test vozilo je razvijeno 1992. godine nakon incidenta sa požarom u test vozilu MLU002.

Konstukcija ovog vozila je gotovo ista kao i vozila MLU002.

Ipak ovo vozilo je sjedinilo i neke inovacione detalje, među kojima je i protiv požarni detektori.

Maglev pruge

Maglev pruga u Japanu

Mijazaki Maglev test pruga se nalazi u gradu Huga, koji se nalazi u oblasti Mijazaki.

Otvorena je aprila 1977. godine i bila je pruga T tipa. Bila je dugačka 1,3 kilo metara i prvo vozilo testirano na ovoj pruzi bilo je ML-500. Već u julu iste godine postignuta je brzina od 132 km/h. Pošto se sistem pokazao kao vrlo uspešan već je naredne godine došlo do produženja pruge za 3,1 km i tada je dobijen novi rekord brzine od 301 km/h. Svoju konačnu dužinu od 7 km dobija 1979. godine i tada je pomoću test vozila dobijena nova rekordna brzina od 517 km/h.

Sa razvojem novih tehnologija Magleva dolazilo je i do modifikacija na samoj Mijazaki test pruzi pa je tako 1980. godine došlo do promene tipa pruge koja je preobrađena u prugu tipa U koja je imala horizontalno orijentisane kalemove za levitaciju i vertikalno orijentisane kalemove koji su se nalazili u bočnim zidovima pruge za voÿenje i pogon. Pruga je sadržala 20.000 kalemova za levitaciju i 10.000 kalemova za pogon.

Kasnije je pruga modifikovana i u njenu strukturu su uključeni takozvani kalemovi u obliku osmice bez fluksa koji su ugrađeni u bočne zidove i koristili su se za levitaciju i vođenje.
Pruga je imala deo sa nizbrdicom sa strminom od 0,5% i krivinu radijusa 10 kilo metara. Na njoj je takođe napravljena prva skretnica konstruisana 1990. godine. Bila je dugačka 80 metara i sastojala se iz 6 spojnica. Prava linija se mogla preobraziti u krivinu pomoću ovih 6 spojnica koje bi među sobom stale pod određeni ugao.

1990. godine dolazi do prekretnice razvoja Maglev vozova u Japanu. Ministarstvo transporta Japana proglašava Maglev projekat nacionalnim interesom Japana i odobrava izgradnju nove test pruge nedaleko od Tokija na kojoj bi se konačno potvrdila praktična upotreba maglev tehnologije u brzom transportu robe i putnika.

Jamanaši Maglev test pruga otvorena je 3. aprila 1997. godine i danas se koristi u test vožnjama.

Prostire se na dužini od 18,7 km između gradova Sakaiganja i Akijama u oblast Jamanaši.

Spoljašnje veze

• Magnetska levitacija
• Brzi vozovi
• Linearni motor