ระบบการขับเคลื่อนรถไฟ

                                     การขับเคลื่อนรถไฟ

             ประเภทของรถจักร

         ในโลกมีรถจักรอยู่หลากหลายประเภท แต่รถจักรประเภทหลักๆที่มีใช้อยู่หลากหลายในโลก คือ

•   รถจักรไอน้ำ (Steam Locomotive) ใช้พลังแรงดันสูงจากไอน้ำอันเกิดจากน้ำต้มเดือดในการดันลูกสูบเพื่อหมุนล้อ ปัจจุบันแทบไม่มีแล้ว การทำงานของเครื่องจักรไอน้ำ คือ จะทำการต้มน้ำให้เดือดใน "หม้อต้มน้ำ(Boiler)” น้ำที่เดือดจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอน้ำที่มีแรงดันสูง แล้วนำเอาไอน้ำที่มีแรงดันสูงนั้นไปขับดันลูกสูบให้ลูกสูบเคลื่อนที่จนเกิดงาน และนำงานที่ได้ไปใช้เป็นแหล่งต้นกำลังของเครื่องจักรต่างๆเราจึงเรียกเครื่องจักรไอน้ำนี้ว่าเป็น “ เครื่องยนต์เผาไหม้ภายนอก

•       รถจักรดีเซล (Diesel Locomotive)แบ่งออกเป็น

•        รถจักรดีเซลการกล (Diesel-Mechanical Locomotive) ใช้เครื่องยนต์ดีเซลโดยตรงในการขับเคลื่อนล้อ ปัจจุบันแทบไม่มีแล้ว

•      รถจักรดีเซลไฮดรอลิก (Diesel-Hydrolic Locomotive) ท้องถนน โดยจะมีเครื่องยนต์ดีเซลเป็นหัวใจหลักในการขับเคลื่อนตัวรถ โดยจะส่งพลังงานผ่านเพลาไปยังเครื่องถ่ายถอดกำลัง (Fluid coupling) และเกียร์เพื่อให้เกิดการขับเคลื่อนของรถตามลำดับ

•      รถจักรดีเซลไฟฟ้า (Diesel-Electric Locomotive) ใช้เครื่องยนต์ดีเซลกำเนิดไฟฟ้านำไปหมุนมอเตอร์ลากจูง (Traction Motor:TM)เป็นรถจักรดีเซลที่มีใช้การมากที่สุดในโลก รถจักรดีเซลไฟฟ้า เป็นรถจักรที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลเป็นต้นกำลังไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลัก แล้วนำกระแสไฟฟ้าที่ได้มาไปหมุนมอเตอร์ขับเคลื่อนรถจักรต่อไป ประเทศไทยเป็นประเทศแรกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ที่นำรถจักรดีเซลไฟฟ้ามาใช้ในปี พ.ศ. 2471 (ค.ศ. 1928)รถจักรประเภทนี้จะมีหลักการทำงานแบบง่ายๆ คือ จะนำเครื่องยนต์ดีเซลมาปั่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ และแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อนำไปขับเคลื่อนมอเตอร์ลากจูงซึ่งเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนุกรมที่ติดตั้งอยู่ที่เพลาล้อ ซึ่งอาจจะมีมากกว่า 1 ตัวโดยจ านวนของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจะขึ้นอยู่กับกำลังของขบวนรถ การใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีข้อดีในเรื่องการควบคุมความเร็วง่ายและแรงบิดเริ่มต้นสูง แต่มีปัญหาในเรื่องขนาดที่ใหญ่และต้องบำรุงรักษามาก ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้แทนเนื่องจากขนาดเล็กกว่าในขณะที่ให้กำลังงานที่เท่ากันและการบำรุงรักษาไม่ยุ่งยากมากนักเมื่อเทียบกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง แต่จำเป็นต้องมีอินเวอร์เตอร์เพื่อเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อใช้ในการควบคุมความเร็วของรถไฟอีกครั้ง ซึ่งในำไฟฟ้าประสิทธิภาพจะลดลง แต่ด้วยข้อดีในด้านอื่นๆ จึงเป็นที่นิยมใช้ในปัจจุบัน

•     รถจักรไฟฟ้า (Electric Locomotive) ใช้ไฟฟ้านำไปหมุนมอเตอร์ลากจูง (Traction Motor:TM) เป็นรถจักรที่มีกำลังสูงมากกว่าประเภทอื่นๆ นอกจากนี้ ยังมีรถโดยสารที่สามารถขับเคลื่อนได้ด้วยตัวเอง ได้แก่

•     รถดีเซลราง (Diesel Multiple Unit:DMU) เป็นรถโดยสารที่ขับเคลื่อนด้วยกำลังดีเซล ส่วนใหญ่ขับเคลื่อนด้วยดีเซลการกล หรือดีเซลไฮดรอลิกขบวนรถดีเซลรางเป็นขบวนรถโดยสารที่มีเครื่องยนต์ดีเซลขับเครื่องอยู่ใต้ตู้โดยสาร ในปีพ.ศ. 2471 ได้นำหัวรถจักรดีเซลรุ่นแรก ยี่ห้อ S.L.M. Winterthur รุ่น 21 - 22 จ านวน 2 คัน จากประเทศสวิสเซอร์แลนด์มาใช้งาน โดยใช้เป็นรถจักรลากจูงสับเปลี่ยนท าขบวนรถไฟและลากจูงขบวนรถท้องถิ่นรอบๆ กรุงเทพฯ และหลังจากสงครามโลกครั้งที่ 2 ยุติลง รถดีเซลรางรุ่นใหม่ๆ ได้รับการพัฒนาให้มีสมรรถนะสูง มีความคล่องตัวในการใช้งานและสามารถพ่วงต่อกันคราวละหลายชุดได้ โดยแต่ละชุดเครื่องยนต์จะทำงานพร้อมกับคันที่มีคนควบคุมที่ต้นขบวนนอกจากความคล่องตัวแล้ว รถดีเซลรางยังสะดวกในการจัดทำขบวนรถสั้นๆ เพียงชุดเดียว(2 คัน) พเหมาะกับสภาพการโดยสาร (รถคันกำลัง จุที่นั่ง 78 คน ยืน 35 คน และคันพ่วงมี 84 ที่นั่งยืน 35 คน) ในแง่ความปลอดภัยของผู้โดยสาร รถทุกคันจะมีประตูขึ้นลง และเปิดปิดโดยระบบอัตโนมัติที่พนักงานขับรถจะเป็นผู้ควบคุม

•     รถรางไฟฟ้า (Electric Multiple Unit:EMU) เป็นรถโดยสารที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ซึ่งใช้ไฟฟ้า

•     รถรางไอน้ำ (Steam Railcar) เป็นรถโดยสารที่ขับเคลื่อนด้วยพลังไอน้ำ ปัจจุบันไม่มีแล้ว

ยังมีรถที่ขับเคลื่อนด้วยพลังกังหันแก๊ส (Gas Turbine) ซึ่งไม่เป็นที่นิยม เนื่องจากมีค่าบำรุงรักษาและค่าเชื้อเพลิงสูง ปัจจุบันจึงมีประมาณ 2 ประเทศเท่านั้นที่ยังใช้การอยู่คือ ฝรั่งเศสและสหรัฐอเมริกา

       ประเภทของ รถไฟ

     รถไฟ มีหลายหลายประเภทมากขึ้นอยู่กับการออกแบบที่มีจุดประสงค์ในการใช้ งานที่แตกต่างกัน รถไฟ บางประเภทจะวิ่งบนรางพิเศษเฉพาะ เช่น รถชมทัศนียภาพ รถไฟ ราวเดี่ยว รถไฟ ความเร็วสูง รถไฟพลังแม่เหล็ก รถไฟใต้ดิน หรือล้อเลื่อน เป็นต้น

     รถไฟโดยสารอาจจะมีหัวรถจักรคันเดียวหรือหลายคัน อาจจะมีตู้โดยสารตู้เดียวหรือหลายตู้ แต่โดยทั่วไปแล้ว รถไฟคันหนึ่งๆจะมีแต่ตู้โดยสารทั้งขบวนแล้วตู้โดยสารตู้หรือทุกตู้นั้นจะมี เครื่องยนต์สำหรับเคลื่อนที่ติดตั้งอยู่ ในบางประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในญี่ปุ่นและยุโรปนั้น ประชาชนจะนิยมเดินทางโดยรถไฟความเร็วสูงกันมาก

      รถสินค้า มักจะพ่วงกับตู้สินค้ามากกว่าตู้โดยสาร ในบางประเทศมีรถไฟสำหรับขนส่งพัสดุหรือจดหมายอีกด้วย

 

                   องค์ประกอบของการเดินขบวนรถไฟที่สำคัญ

• ทางรถไฟ – ทางที่มีรางเหล็ก 2 เส้น วางขนานกันบนไม้หมอนที่มีหินรองรับ
• รถจักร – ทำหน้าที่ลากจูงรถไฟคันอื่นๆ ให้เคลื่อนที่ไปได้โดย รถจักรมีหลายชนิด ได้แก่ รถจักรไอน้ำ,รถจักรดีเซล,รถจักรไฟฟ้า และ รถจักรกังหันก๊าซ
• รถพ่วง – ได้แก่ รถสำหรับบรรทุกคนโดยสาร ซึ่งเรียกว่า รถโดยสารและรถสำหรับบรรทุกสินค้า ซึ่งเรียกว่า รถสินค้า

• เครื่องอาณัติสัญญาณ – เป็นเครื่องมือควบคุมการจราจรเพื่อความปลอดภัย รวดเร็วและมีประสิทธิภาพในการเดินรถ เช่น เสาสัญญาณชนิดหางปลา (semaphore) ,สัญญาณธงผ้ารูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า                                                                                                                                                                ระบบการจ่ายไฟฟ้าแก่ทางรถไฟ                                                      เป็นการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับรถไฟหรือรถราง เพื่อให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบนขบวน การจ่ายกระแสไฟฟ้ามีข้อดีเหนือกว่าระบบให้พลังงานอื่น ๆ ในการขับเคลื่อนหัวรถจักร แต่ต้องใช้เงินลงทุนอย่างมีนัยสำคัญสำหรับการติดตั้ง ในบทความนี้ "ระบบ" หมายถึงการกำหนดค่าทางเทคนิคและรายละเอียดทางเทคนิคที่ถูกพัฒนาขึ้น "เครือข่าย" หมายถึงขอบเขตทางภูมิศาสตร์ของระบบที่มีการติดตั้งจริงในสถานที่ติดตั้ง                                                                                                                                                              ลักษณะของการใช้ไฟฟ้าของรถไฟ                                                                                                                      กระแสไฟฟ้าให้พลังงานฉุดรถไฟ ซึ่งอาจใช้หัวรถจักรไฟฟ้าเพื่อลากตู้ผู้โดยสารหรือตู้สัมภาระหรือเป็นรถไฟที่ประกอบด้วยตู้ที่มีเครื่องยนต์ไฟฟ้าหลายตู้ ที่ซึ่งแต่ละตู้โดยสารรับกระแสไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนด้วยตัวเองโดยไม่ต้องพึ่งหัวรถจักร พลังงานจะถูกสร้างขึ้นในโรงผลิตเพื่อการพาณิชย์ขนาดใหญ่ที่ประสิทธิภาพในการใช้น้ำมันเชื้อเพลิงสามารถ optimize ได้ พลังงานไฟฟ้าจะถูกลำเลียงไปยังรถไฟตามสายส่งแล้วกระจายภายในเครือข่ายทางรถไฟไปให้รถไฟตามที่ต่างๆ โดยปกติจะมีระบบภายในในการจัดจำหน่ายการใช้พลังงานและการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่จัดการโดยการรถไฟเอง  พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังรถไฟที่กำลังเคลื่อนที่โดยผ่านตัวนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาหรือเกือบตลอดเวลา ในกรณีที่ใช้ระบบการจ่ายเหนือศีรษะ มักจะเป็นลวดเปลือยแขวนลอยอยู่ในเสาเรียกว่าสายส่งเหนือศีรษะ ตัวรถไฟมีเสายึดติดตั้งอยู่บนหลังคาซึ่งรองรับแถบตัวนำยึดติดกับหน้าสัมผัสด้วยสปริงรวมทั้งหมดเรียกว่าแหนบรับไฟ                                    ระบบการใช้พลังงาน
• ไฟฟ้าถูกจำแนกเป็นสามปัจจัยหลักดังนี้                                    

•      1. แรงดันไฟฟ้า
•      2. กระแส     กระแสสลับ   กระแสตรง           
•       3. ระบบหน้าสัมผัส  รางที่สาม เหนือศรีษะ

               ระบบการจ่ายมี 3 ระบบคือ

                    1. ระบบเหนือศรีษะ

                        2. ระบบรางที่สาม

                        3.ระบบรางที่สี่

                กระแสสลับ

         ระบบจ่ายกระแสไฟฟ้า AC จะเป็นแบบเหนือศีรษะได้อย่างเดียว กระแสสลับสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้ลดลงได้ภายในหัวรถจักร ใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเพื่อให้มีกระแสน้อยลง สายส่งจึงมีขนาดเล็กลง ซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานน้อยลงไปตามทางยาวของเส้นทางรถไฟ

                

ระบบกระแสสลับหลายเฟส

รถไฟกระแสไฟฟ้า AC 3 เฟสถูกใช้ในอิตาลี สวิตเซอร์แลนด์และสหรัฐอเมริกาในต้นศตวรรษที่ 20 ระบบในตอนต้นใช้

คลื่นความถี่ต่ำ (16⅔ Hz) และแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำ (3,000 หรือ 3,600 โวลต์) ระบบจะสร้างพลังงานจากการเบรก ป้อนกลับไปยังระบบ จึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับรถไฟที่ใช้ในเขตภูเขา (เงื่อนไขคือหัวรถจักรอีกสายสามารถใช้พลังนี้ได้) ระบบมีข้อเสียของการที่ต้องมีสอง (หรือสาม) ตัวนำเหนือศีรษะที่แยกเป็นสัดส่วนบวก return path ผ่านทางราง หัวรถจักรฟทำงานที่ความเร็วคงที่ ที่หนึ่ง, สองหรือสี่สปีด

ระบบยังถูกนำมาใช้บนภูเขาสี่ลูก รถไฟใช้ 725-3,000 V at 50 หรือ 60 Hz: (Corcovado Rack ในริโอเดอจาเนโร, บราซิล, Jungfraubahn และ Gornergratbahn ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์และ Petit รถไฟ de la Rhune ในประเทศฝรั่งเศส)