Transcript Tram 19 door het mekelpark - Delta

Tram 19 door het mekelpark
: Pieter Kruit
#Woorden:
Geschatte leestijd:
Moeilijkheidsgraad:
Drankadvies:
1118
11 minuten

Bakkie pleur
Ergens in de toekomst, nadat een nieuwe
Sebastiaansbrug is gebouwd, zal er een tram
door het Mekelpark rijden. Iedere keer dat de
chauffeur “gas geeft” zullen onderzoekers dat
kunnen zien in de uitkomsten van hun onderzoek:
een vervorming in de nanostructuur geschreven
met de EBPG, een dubbel beeld in de TEM, een
ander spectrum in de NMR machine of misschien
zelfs de ontdekking van een spookdeeltje in de
quantumcomputer. Althans, dat kan gebeuren
als we niets doen aan de magneetvelden die
door de voedingsstroom van de tram worden
opgewekt.
De huidige generatie trams trekt tot 700 Ampère
gelijkstroom, uit een voeding van 600 Volt. Even
terug naar het basiscollege E&M:
B=
µ0 2I
= 2000nT (voor 500A, 50m)
4π R
De stroom loopt ook weer terug, maar dat gaat door
de rails terwijl de voedingsstroom aankwam via de
bovenleiding, op 5 meter boven de rails. Netto veld
op afstand 50 meter van de tram:
B=
µ0 2I · h
= 200nT (voor 500A, 50m, 5m)
4π R2
Dit gaat uit van het optimistische scenario dat er
geen stroom teruggevoerd wordt via de natte
Figuur 1. Gemeten magneetveld op 50m naast
bestaande tramlijn.
16
grond, via gasbuizen of via de betonwapening die
onder de rails liggen. Bij een meting die we deden
naast een bestaande tramlijn maten we velden
tot 300nT. Die 200 tot 300nT klinkt als niet zo
heel erg veel: het aardmagnetisch veld is al 70µT.
Dat veld is echter redelijk constant zodat daar bij
de instelling van de apparatuur rekening mee kan
worden gehouden. Het veld van de tram varieert
onvoorspelbaar.
Even een kleine berekening: Hoever verschuift een
elektronenbundel, versnelspanning 100 kV (zoals
in de EBPG) als die een afstand van 2cm (van
laatste lens naar nanostructuur) aflegt?
2
B (∆z)
√ = 18.4 nm (100nT, 2cm, 100kV )
∆x = 2 2m/e E
groep Deeltjes Optica alleen al hebben we sinds dat
eerste contract vijf nieuwe opstellingen neergezet
waar zo’n spoel nodig is. Toen ik voor het eerst van
dit plan hoorde heb ik aan de bel getrokken en een
alternatief voorgesteld.
De fabrikant zorgt nog voor enige afscherming van
het veld, maar stelt toch als eis aan de omgeving dat
de stoorvelden minder dan 20nT moeten zijn wil
hij de prestaties van het apparaat garanderen.
Bij het oorspronkelijke contract tussen het CvB en
Haaglanden, die de trambaan aanlegt, was voorzien
dat ieder gevoelig apparaat Helmholtzspoelen
zou krijgen op kosten van Haaglanden. Het
principe daarvan is dat het magneetveld naast het
apparaat nauwkeurig wordt gemeten en naar nul
wordt geregeld met behulp van stroom door de
Helmholzspoelen. Kosten: €70.000 per systeem,
totaal 1.7 miljoen euro. Afgezien van het feit dat
dit helemaal niet werkt voor apparaten die dicht
bij elkaar in de buurt staan en de onderzoeker
niet meer bij het apparaat kan, is dat ook een hele
slechte deal: ieder nieuw apparaat dat de komende
100 jaar wordt gekocht moet op kosten van de TU
worden voorzien van zo’n compensatie spoel. Bij de
Januari 2014
B1 =
B2 =
VA
µ0 2I1 · h · l1
µ0 2 ρl1 · h · l1
=
4π
R3
4π
R3
VA
µ0 −2I2 · h · l2
µ0 −2 ρl2 · h · l2
=
4π
R3
4π
R3
Figuur 3. Stroomleidingen bij segmentering van de
bovenleiding.
Het is veel beter om te zorgen dat de tram geen
stoorveld opwekt. Uit de literatuur kun je halen
dat het veld verminderd kan worden door het
stroomcircuit in segmenten op te delen. Een typische
afstand tussen de masten waar de bovenleiding aan
hangt is 40 meter. Als je de voedingskabel tussen de
spoorstaven laat lopen en de bovenleiding in stukjes
knipt die je bij iedere mast met de voedingskabel
verbindt, dan wordt het veld ongeveer:
B=
Figuur 2. Stroomleiding bij een standaardtram.
beide kringen gelijk is en de opgewekte
magneetvelden
elkaar
op
enige
afstand
compenseren. Op afstand R groter dan l geldt:
µ0 2I · h · l
= 160nT (voor 500A, 50m, 5 · 40m)
4π R3
Dat schiet dus niet veel op, hoewel het verder van
de trambaan wel een groter verschil maakt. De
(inmiddels gepatenteerde) truc die wij hebben
toegevoegd is dat we de stroom van beide zijden het
stukje bovenleiding invoeren. Daarbij zorgen we
ervoor dat de aanvoerleidingen naar de uiteinden
van de bovenleiding een veel kleinere weerstand
hebben dan de bovenleiding zelf. Hierdoor is er
geen spanningsval over deze aanvoerleidingen,
maar alleen over de bovenleiding en verdeelt de
stroom zich over beide circuits als volgt:
I1 =
V ·A
ρl1
I2 =
V ·A
ρl2
Waarbij V het spanningsverschil is tussen de
uiteinden van het stukje bovenleiding en de
bovenkant van de pantograaf, ρ de specifieke
weerstand, A de doorsnede van de leiding en l als
aangegeven in de figuur. Daarmee ontstaan dus
twee stroomkringen in tegengestelde richting. De
kring met het grote oppervlak heeft een kleine
stroom en de kring met het kleine oppervlak een
grote stroom, waardoor het dipoolmoment van
Figuur 4. Stroomleidingen
compensatiesysteem.
bij
het
TUD
Dit zijn de velden op de as van de stroomkring.
Omdat de kringen naast elkaar liggen blijft er nog
een component over:
2
µ0 I·h·l
B = 4π
= 16nT voor een tram halver−
4R4
wege de sectie, (500A, 50m, 5 · 40m)
Dit is de formule voor het ideale geval, maar de
weerstand van de aanvoerdraden is niet geheel nul
en er zijn ook nog bijdragen van de stroom die door
de tram zelf lopen en via verschillende wielen naar
de spoorstaaf worden geleid en van de leidingen in
het horizontale vlak die niet precies naast elkaar
liggen. De voedingsleiding ligt overigens precies
tussen de twee sporen, de onderzijde van de loops
liggen tussen de rails recht onder de bovenleiding.
De spoorstaven zijn bij iedere bovenleidingmast
aan elkaar verbonden zodat de terugstroom zich
gelijkmatig over de vier spoorstaven verdeelt.
Volgens een simulatie ziet het restveld er nog uit als
in de onderstaande figuur.
Figuur 5. Magneetveld op 50 m naast het spoor, bij de
meest ongunstige positie van de tram.
17
Volgens de eerste kostenschattingen zou dit systeem
voor minder dan die 1.7 miljoen euro kunnen
worden aangelegd op het traject langs TN, 3ME,
EWI en Civiel. Op grond hiervan werd besloten het
in het Mekelpark uit te proberen. Sinds die tijd
lopen de geschatte kosten wel op vanwege het feit
dat ook het nieuwe TNW gebouw vlak langs de
trambaan wordt gebouwd. Bij de aanleg van de
trambaan zijn er intussen buizen opgenomen in de
betonplaat waar later de kabels voor het
compensatiesysteem doorheen getrokken kunnen
worden. Op de foto zie je in het midden de buis
voor de aanvoerkabel en tussen de rails de buizen
voor de segmentkabels. Het kan nog wel een paar
jaar duren voordat het systeem in Delft in gebruik
wordt genomen. Intussen overweegt men in Utrecht
om hetzelfde idee te gebruiken voor de tram door
de Uithof. Als de Utrechtenaren hun planning
waarmaken, hebben zij waarschijnlijk de primeur
van deze Delftse innovatie!
Prof. dr. ir. P. Kruit
Figuur 6. Buizen voor het compensatiesysteem.
Acknowledgement:
Aan het compensatiesysteem is gewerkt door
de schrijver van dit stukje en door Frank van
Overbeeke, Bas Gravendeel en Dick van Bekkum
van het bedrijf EM Power Systems en Prof. Lou van
der Sluis van EWI.
Figuur 7. Tramlijn 19. Het toonbeeld van Delftsche
innovatie.
Over de schrijver
Pieter Kruit is een man van vele kanten. Hij is altijd
erg betrokken geweest bij het onderwijs en doceert
ook het allereerste vak voor nieuwe eerstejaars
Technische Natuurkunde; er moet natuurlijk wel
een goede eerste indruk gegeven worden. Maar hij is
niet alleen professor aan de TU Delft, ook bekleedt
hij andere functies aan de faculteit Technische
Natuurwetenschappen. Zo was hij zeven jaar lang
opleidingsdirecteur van de bachelor Technische
Natuurkunde en is hij zelfs erelid van de VvTP.
In zijn vakgroep Geladen Deeltjes Optica doet hij
onderzoek naar elektronen-lithografie en –optica;
‘omdat hij het leuk vindt’. Maar ook buiten de TU
is hij actief: hij is mede-oprichter van verscheidene
bedrijven zoals MAPPER en DELMIC. Ook zat
hij in zijn eigen studententijd niet stil: tijdens
zijn studie was hij bijvoorbeeld ook vice-president
van de senaat van het DSC. Inmiddels is hij ook
geridderd door de Koningin.
Afkortingen:
EBPG = Elektronen Bundel Patroon Generator:
het centrale apparaat in de Kavli Nanofacility waar
nanometer structuren mee worden geschreven.
TEM = Transmissie Elektronen Microscoop: In
het TN gebouw en het nanolab staan 4 van deze
apparaten, de beste heeft een resolutie van 0.1 nm.
NMR = Nuclear Magnetic Resonance
18
Januari 2014