PE Kolej Archiwum

PE Kolej Archiwum

  W Stanach Zjednoczonych po częściowej elektryfikacji kolei odstąpiono od niej demontując nawet istniejące już sieci trakcyjne. W sytuacji gdy duży nowoczesny silnik Diesla lokomotywy ma sprawność dochodzącą do 43-50% ( średnią oczywiście mniejszą ) a gaz ziemny i ropa naftowa służą do opalania mniej sprawnych elektrowni cieplnych wytwarzających energie elektryczną dla alternatywnej kolei elektrycznej dochodzi do ciężkiego nonsensu. Większe jest zużycie paliwa a dodatkowo sporo kosztuje elektrownia, system przesyłowy i trakcyjny oraz ich eksploatacja.

Ograniczony przyczepnością kół, lokomotywy lub zestawu wagonów z napędem, do szyn maksymalny moment napędowy jest proporcjonalny do wagi jednakowo dla lokomotywy Diesla i Elektrycznej. Moc lokomotywy ograniczona przyczepnością kół do toru jest proporcjonalna do prędkości. Zatem lokomotywa elektryczna może być mocniejsza od lokomotywy Diesla dopiero przy prędkości powyżej circa 180-200 km/h.

Technologia silnika Diesla nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa. Możliwe jest przykładowo ulepszenie i ułatwienie rozruchu i zatrzymywanie silnika na dłuższe postoje na stacjach celem ograniczenia jałowego spalania paliwa. W Wielkiej Brytanii od 1976 pracują lokomotywy spalinowe jeżdżące z prędkością 200 km/h

Prawdziwie szybka kolej czyli o prędkościach znacznie większych od 200 km/h jednak jest i będzie wyłącznie elektryczna jako że wykluczona jest ciężka lokomotywa niszcząca torowisko, które musi pozostać w znakomitym stanie.

Pociąg japońskiej elektrycznej szybkiej kolei Shinkansen nie ma lokomotywy a napędzana jest większość osi całego pociągu. Pozwala to uzyskać duże przyspieszenie pociągu a torowisko nie jest dynamicznie i statycznie obciążone ciężką lokomotywą. Torowisko szybkiej kolei musi być bardzo „gładkie”. Po chronionych przed wtargnięciem torach Shinkansen nie kursują normalne pociągi ! Ich małe obciążenie pozwala utrzymać je w doskonałym stanie jaki jest wymagany.

USA są krajem rozległym i tam optymalne są podróże lotnicze. W Europie i Japonii średnia długość trasy przebywanej przez podróżnego jest znacznie mniejsza niż w USA i szybkie pociągi mają większy sens.

Najtańszym paliwem dla elektrowni jest węgiel brunatny a po nim kamienny. W sytuacji gdy w Europie tylko Wielka Brytania i Norwegia oraz Holandia eksploatują złoża ropy i gazu ziemnego użycie węgla do pośredniego napędu pociągów może mieć wąsko widziany ekonomiczny sens. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę że spalanie węgla uwalnia do atmosfery połowę tablicy Mendelejewa i dewastuje zdrowie mieszkańców to dojdziemy do wniosku że węgiel nie jest paliwem dla bogatych krajów i nie jest paliwem przyszłości dla świata.

Błędna decyzja o elektryfikacji kolei może obniżyć tempo wzrostu gospodarczego kraju na pół wieku.

Najwcześniej w Europie kolej elektryfikowano w krajach niemieckojęzycznych. Wprowadzono tam system 15KVac, 16 2/3 Hz. Jest on używany także w Szwecji. Szeregowe trakcyjne silniki komutatorowe źle pracowały zasilane prądem o częstotliwości 50Hz i stad wybór trzykrotnie mniejszej częstotliwości. W krajach tych istnieje dziwna, osobna jednofazowa sieć energetyczna na potrzeby kolei. Moc jest generowana jednofazowo lub uzyskiwana przetwornicami maszynowymi ( para silnik synchroniczny zasilany siecią energetyczną 50 Hz i generator synchroniczny 16 2/3 Hz ze sprzęgłem do tłumienia drgań momentu generatora ) lub przekształtnikiem statycznym czyli cyklokonwerterem obecnie realizowanym na tyrystorach dużej mocy.

Cyklokonwetery stosowano też do zasilania silników o bardzo małej prędkości do obracania pieca obrotowego cementowni.

Regulując prędkość i moment napędowy napięcie do silników trakcyjnych podaje się w lokomotywie przełącznikami z odczepów uzwojenia obniżającego transformatora.

System ma zalety i wady.

Zalety:

-Znaczne napięcie trakcji umożliwia pobór dużej mocy przy niewielkim przekroju sieci trakcji. Podstacje mogą być w znacznej odległości. Napięcie o częstotliwości 16 2/3 Hz jest znacznie bezpieczniejsze dla człowieka niż standardowe napięcie 50Hz i dopuszczalne są większe spadki napięć na torach. Napięcie zmienne słabo działa elektrokorozyjnie.

-Możliwy jest zwrot energii z hamowania lokomotyw do sieci

-Przy małej częstotliwości mała jest reaktancja przewodów trakcji oraz rezystancja torów. Z powodu naskórkowości przy częstotliwości 50Hz rezystancja torów jest około 7-9 razy większa niż

przy prądzie stałym.

-Regulacja szybkości lokomotywy jest bezstratna a użyte przełączniki napięć mocy prądu zmiennego są względnie proste

-Nawet zakłócenia harmoniczne są nieszkodliwe dla sieci telekomunikacyjnej bowiem są nadal niewielkiej częstotliwości

-Łatwość regulacji tyrystorowej w lokomotywie /pociągu

-Możliwość dowolnego wyboru napięcia za transformatorem dogodnego dla inwerterów z wyłączalnymi tyrystorami GTO dla zasilania trakcyjnych silników asynchronicznych.

Wady:

-Kosztowna, osobna generacja i sieć energetyczna

-Znaczne pulsacje momentu silników napędowych

-Cięższy ( circa 2 razy niż na 50 Hz) transformator na lokomotywie

Kolejową trakcje 3 KVdc ma część obszarów ZSRR, Polska, Czechosłowacja, Włochy i Hiszpania.

Wady:

-Trudność bezstratnej regulacji napędu prądu stałego. Układy z szybkimi tyrystorami niewyłączanymi są drogie i mają spore straty. Nadal używany jest wysokostratny archaiczny rozruch oporowy i przełączanie grup silników oraz ich odwzbudzanie poprzez bocznikowanie oporem szeregowych uzwojeń wzbudzenia dla szybkiej jazdy. Szybkie wyłączniki prądu stałego są duże, drogie i mało trwałe.

-Podstacje zasilające muszą być często rozmieszczone jako że napięcie trakcji jest niewielkie. Koszt przewodów o wymaganym dużym przekroju jest znaczny

-System nie nadaje się do szybkiej kolei ani do ciężkich pociągów towarowych gdzie potrzebne są duże moce. Duże są spadki napięć czyli straty mocy w sieci

-Spadek napięcia stałego na torach ( mają być one izolowane od Ziemi ale oczywiście nie są zwłaszcza na zaniedbanych torowiskach ) ma dewastujący wpływ elektrokorozyjny na wszystkie pobliskie metalowe przedmioty w ziemi. Coraz więcej jest rurociągów z ropą naftową i paliwami oraz gazem ziemnym. Koszt awarii spowodowanej korozją może być potężny a sama korozja pożera w gospodarce gigantyczne środki hamując wzrost gospodarczy co przynosi jeszcze większe skumulowane straty. Ponieważ napięcie stałe na torach jest porażeniowo bezpieczniejsze niż napięcie zmienne dopuszczalne są na torach spadki napięć rzędu 100 Vdc !

-Harmoniczne pulsacji wyprostowanego napięcia stałego trakcji zakłócają systemy telekomunikacyjne

-Harmoniczne prądów pobierane z sieci energetycznej przez prostowniki 6 pulsowe zniekształcają napięcie w sieci 15KV powodując problemy u innych odbiorców. Rozwiązaniem są prostowniki 12 pulsowe i zasilanie podstacji z sieci 110KV co jest jednak kosztowne.

-Podstacja zwracająca do sieci energetycznej moc z hamowania lokomotyw odzyskowych musi mieć dodatkowo komutowany siecią falownik tyrystorowy wprowadzający więcej harmonicznych niż prostownik i pobierający moc bierną. Koszt odzyskowej podstacji jest oczywiście większy a napięcie w sieci trakcyjnej przy odzysku znacznie większe. Faktycznie podstacje ze zwrotem energii są eksperymentalną rzadkością podobnie jak lokomotywy 3KVdc zwracające do trakcji energie hamowania. Obecnie odzysk energii hamowania nie ma sensu ekonomicznego.

Zalety:

Małą oporność szyn dla prądu stałego

Napięcie trakcyjne 1.5 kVdc stosowane jest częściowo we Francji i Belgii. Użyteczność tego przestarzałego systemu jest bardzo wątpliwa.

System 25KVac, 50Hz stosowany jest na dużych obszarach ZSRR ( tam faktycznie 27.5 KV ) i Francji a także w części Skandynawii i w Wielkiej Brytanii oraz Japonii.

Zalety:

-Trakcja nadaje się do szybkich i ciężkich pociągów

-Odległości podstacji zasilających mogą być znaczne. Typowo 40-50 Km a na odcinkach o małym ruchu gdzie nie ma znacznego nachylenia torów i konieczności przyspieszania nawet do 90 km. -Przekroje przewodów mogą być rozsądnej wielkości.

-Możliwy zwrot energii z hamowania lokomotyw do sieci

-Słaba elektrokorozyjność

-Łatwość bezstratnej regulacji fazowej prostownika – falownika tyrystorami

-Możliwość dowolnego wyboru napięcia za transformatorem na lokomotywie dogodnego dla inwerterów z wyłączalnymi tyrystorami GTO dla zasilania trakcyjnych silników asynchronicznych.

Wady:

-Pobieranie mocy przez podstacje tylko z jednej lub dwóch faz sieci energetycznej powoduje asymetrie napięć trójfazowych i pojawienie się szkodliwej składowej przeciwnej wytwarzającej momenty hamujące w silnikach asynchronicznych oraz silnikach / generatorach synchronicznych zasilanych z sieci energetycznej. Dla zmniejszenia asymetrii napięć podstacja trakcyjna musi być zasilona z sieci o bardzo dużej mocy zwarciowej czyli z sieci 400 KV i niektórych sieci 220 kV. Składowa przeciwna powiększa straty mocy w generatorach elektrowni (przegrzewanie klatki tłumiącej w rotorze ) co jest wysoce niepożądane. Tak czy owak asymetria poboru mocy i napięć musi być zwalczana. Podstacja trakcyjna mimo iż ideowo jest prosta to skojarzona z podstacją energetyczną 220-400 KV jest jednak kosztowna.

Pożądany przepływ mocy z fazy nieobciążonej do obciążonych można uzyskać włączając kondensator i dławik między fazę i fazy ( K. Mikołajuk, Z. Trzaska, Zbiór zadań z elektrotechniki teoretycznej PWN , 1976. Zadanie 2.126) ale ich wielkość musi być proporcjonalna do pobieranej mocy. Zatem rozwiązanie jest niepraktyczne. Niemniej przy stale występującej asymetrii poboru mocy i napięć trójfazowych w systemie przesyłowym można ją usunąć.

Na rysunku pokazano zasilanie podstacjami trakcji 27.5KVac ( początkowo było25 kVac ) w ZSRR z użyciem transformatorów trójfazowych standardowej budowy. Typowy konstrukcyjnie transformator trójfazowy ma oczywiście gwiazdowe uzwojenie pierwotne wysokiego napięcia i trójkątowe wtórne. Zasilanie kolejnych izolowanych od siebie odcinków trakcji z różnych kombinacji faz zmniejsza asymetrie napięć w sieci przesyłowej.

-Z powodu naskórkowości przy częstotliwości 50Hz rezystancja torów jest około 7-9 razy większa niż przy prądzie stałym. Stosowany jest przewód ochronny – powrotny co pewien odcinek łączony z torami. Ze względów bezpieczeństwa spadek napięcia na torach nie powinien przekroczyć 48Vac co ogranicza długość zasilanego odcinka. Stosując co 3-4 km ( na mniej uczęszczanych liniach odcinek może być większy) niewielki transformator prądowy Booster wymuszający w przewodzie powrotnym taki sam prąd jak w przewodzie jezdnym można wyzerować prąd ( i spadek napięcia ) na odcinku torów bez pobierającej energie lokomotywy. Zastosowanie transformatorów Booster pozwala mocna ograniczyć napięcie na torach kosztem pewnego zwiększenia strat mocy bowiem prąd powrotny płynie tylko ( poza odcinkiem z lokomotywą ) przewodem ochronnym / powrotnym.

Mankamentem tyrystorowych prostowników sterowanych fazowo jest pobór silnie zniekształconego prądu z sieci. Poniżej pokazano schemat obwodu mocy lokomotywy ASEA. Pierwsze lokomotywy ze sterowaniem tyrystorowym ten silny szwedzki koncern światowy jako lider wypuścił już w 1967 roku opracowując pionierskie tyrystory mocy na duże napięcia . Zasilany z trakcji transformator obniżający TT ma kilka uzwojeń wtórnych o napięciu dU. Półsterowane mostki tyrystorowo – diodowe połączone są szeregowo. Przy jeździe z małą prędkością wysterowany jest tylko jeden mostek i prąd płynie diodami pozostałych nie wysterowanych mostków. Przy większej prędkości jeden mostek jest całkowicie wysterowany a kolejny połowicznie. I tak dalej. Dzięki temu amplitudy szkodliwych harmonicznych prądów sieciowych są sporo zredukowane. Dobry układ znalazł licznych naśladowców. Łatwa jest implementacja wysokiej niezawodności stosunkowo małym kosztem. Przy uszkodzeniu jednego z mostków wystarczy awaryjnie odkręcić jeden przewód od transformatora ( jeśli nie zadziałał bezpiecznik lub CB ) co może zająć 5 minut. Tyrystory i diody mocy w obudowie metalowo - ceramicznej zawsze przebijają się na zwarcie. Lokomotywa nie pojedzie co prawda z pełną prędkością ale pojedzie a jazda z pełną prędkością nie występuje zawsze a tylko na wybranych odcinkach. Dopiero po zakończeniu służby w dniu i na trasie można ją naprawić.

Stosując pełnosterowane mostki czterotyrystorowe prostowników / falowników uzyskuje się układ ze zwrotem energii hamowania do sieci ! Ciekawa jest konfiguracja mostków tyrystorowych i uzwojeń transformatora o napięciach 2dU, dU i dU.

Znak napięcia silników prądu stałego DC zmienia się ( konieczne jest przecież przejście konwertera przy hamowaniu z pracy prostownikowej na falownikową ) zmieniając pomocniczym prostownikiem tyrystorowym sterowanym fazowo kierunek prądu wzbudzenia silników.

Przy pełnym napięciu z prostowników obniżenie prądu wzbudzenia silników pozwala uzyskać większą prędkość kosztem mniejszego momentu napędowego. Lokomotywa jest uniwersalna mogąc ciągnąć ciężkie pociągi towarowe i szybko znacznie lżejsze pociągi osobowe.

Dla zmniejszenia poboru harmonicznych i powiększenia napięcia trakcyjnego ( kompensacja indukcyjności trakcji i mocy biernej ) może być stosowany załączany bezzakłóceniowo antyrównoległą parą tyrystorów obwód LC o częstotliwości rezonansowej 3 harmonicznej częstotliwości sieci czyli 150 Hz. „Inteligentny” układ sterowania musi załączyć kompensacje w odpowiednich okolicznościach. Stosowanie kompensacji mocy biernej pozwala stosować podstacje na większych odcinkach co w sytuacji gdy muszą być one zasilane z sieci przesyłowej 400 KV / 220KV ma ogromne znaczenie.

W podstacjach trakcyjnych stosowana jest czasem szeregowa pojemnościowa kompensacja indukcyjności sieci trakcyjnej. Kompensacja zwiększa napięcie zasilające 50Hz redukując przy przy tym w małym stopniu prądy harmoniczne Gdy napięcie na szeregowym kondensatorze niedopuszczalnie wzrośnie skutkiem zwarcia lub uderzenia w sieć pioruna kondensator ( oczywiście przez niewielki dławik ograniczający prąd zwarcia do bezpiecznej wartości ) jest momentalnie zwarty przez iskrownik ( może być z trzecia elektrodą sterowany przez system elektroniczny ) a po czasie zadziałania przez wyłącznik. Znanym mankamentem kompensacji szeregowej jest skłonność do ferrorezonansów z transformatorami w sieci. Potrzebne są środki zapobiegawcze jak niewielka modyfikacja transmitancji regulatorów prądów i sterowników fazowych tyrystorów na lokomotywie aby tłumiły niskie ferrorezonanse.

Jeśli stosowana jest kompensacja równoległa to szeregowy z kondensatorem dławik jest nastrojony na trzecią harmoniczną napięcia sieciowego bowiem indukcyjność rozproszenia transformatora podstacji i indukcyjność sieci zasilającej wraz z pojemnością bez dławika rezonansowo wzmocni harmoniczne co jest zabronione !

W nowej generacji szybkich japońskich pociągów Shinkansen zastosowano lżejsze, tańsze i niezawodne silniki asynchroniczne zasilane z inverterów w których jako klucze zastosowano potężne tyrystory wyłączane bramką GTO. Mimo iż są one stosunkowo szybkie to częstotliwość modulacji PWM jest ograniczona do 500-1000 Hz. Niestety literatura nie podaje szczegółów zastosowanych rozwiązań a nawet z różnych źródeł pochodzą sprzeczne informacje. Możliwe że zastosowano inwerter trójpoziomowy z 12 kluczami pozwalający znacznie ograniczyć poziom harmonicznych prądu czyli straty mocy w silniku.

Konstrukcje mostków trójfazowych invertera z tyrystorami GTO omówiono w rozdziale o tyrystorze GTO BTS59.

Kolej elektryczna jest dla systemu energetycznego szybko zmieniającym się obciążeniem niespokojnym. Zmiany napięcia sieciowego wywołują irytujące i męczące migotanie oświetlenia ale także zmniejszają sprawność silników asynchronicznych będących w każdej gospodarce największym konsumentem energii elektrycznej.

Wnioski:

1.Sprawność komutatorowych silników kolejowych jest całkiem dobra. Średnia eksploatacyjna sprawność nowoczesnych silników przekracza 90-92%. Są jednak circa dwa razy cięższe i droższe od silnika asynchronicznego. Mankamentem jest też mała trwałość komutatora.

2.Silniki asynchroniczne po raz pierwszy zastosowano w szybkich pociągach Shinkansen. Invertery zasilane napięciem maksymalnym 1600Vdc używają wyłączalnych tyrystorów GTO na prąd średni 1000A i napięcie szczytowe 3000V. Nie jest znany eksploatowany użytkowo pociąg gdzie w inverterach do silników AC użyto by konwencjonalnych tyrystorów. O ile w układach komutowanych siecią tyrystory cieszą się dobrą opinia to w układy z wymuszoną komutacją uchodzą za zawodne i nie zyskały nigdzie szerszej popularności.

3.Przy rozruchu oporowym w opornikach tracona jest energia. Przy wolnej jeździe silniki połączone są szeregowo aby zmniejszyć problem z rozruchem. Przykładowy silnik do lokomotywy towarowej przy prądzie forsownego rozruchu o 50% większym od prądu godzinowego wymaga oporników do szybkości 18.5 km/h a przy mniejszym prądzie oczywiście większej. Dla lokomotywy osobowej prędkość ta wynosi ponad 25 km przy forsownym rozruchu. Udział straty energii w bilansie jest tym większy im mniejszy jest dystans do pokonania po rozruchu.

Technologia polskich lokomotyw elektrycznych pochodzi z licencji English Electic. Jest to technologia początka lat pięćdziesiątych. Polska technologii napędu kolejowego nie była w stanie opracować

4.Argumentem przemawiającym za elektryfikacją polskiej kolei była dostępność wydobywanego węgla dla elektrowni i niedostępność ropy naftowej kupowanej ( także od ZSRR) za deficytowe dolary. Niemniej wydajność polskich górników jest wprost żenująca. Górnictwo węgla kamiennego obciąża całą gospodarkę.

5.Szybka kolej jest konkurencyjna czasowo dla samolotu na dystansie 300-700 km dlatego że lotniska są poza miastami a dojazd zabiera czas podczas gdy dworce kolejowe są w centrach miast. Czas zabiera też odprawa bagażu czyli check-in.

6.O wyborze w Polsce trakcji 3KVdc zadecydowała możliwość zagranicznego zakupu pierwszych lokomotyw i podstacji dla tego systemu. Trakcja 3 KVdc ma obecnie za małą moc do szybkich i ciężkich pociągów. Oczywistym rozwiązaniem jest zastosowanie w podstacjach prostowników 12 pulsowych i zasilanie podstacji z sieci 110 KV bowiem sieć SN 15KV jest często za słaba czemu towarzyszą niedopuszczalne spadki napięcie w trakcji i straty energii.

7.Przyrostowi dochodów narodowych towarzyszy wzrost produkcji energii elektrycznej per capita.

Z określonej odległości i mocy do przesłania wynika optymalne ekonomicznie napięcie do przesyłu. Im większy dystans i moc tym większe jest optymalne napięcie przesyłu. W USA domowe napięcie sieciowe 100V podniesiono do 110, 115, 117 i 120 V. Ponieważ odbiorniki muszą działać poprawnie w określonym zakresie napięcia sieciowego to powolne podnoszenie standardu połączone wraz ze stopniową wymiana sprzętu jest naturalne.

Można rozważyć powolne podnoszenie napięcia trakcji. Wyższe napięcie jest korzystne dla szybkiej jazdy a mniejsze dla rozruchu. Potrzeba konkretnych danych do rozważań.

8.Zakupienie lokomotywy standardu 25KV-27.5KV /50Hz wydaje się łatwe. Przezbrojenie izolacji na 25KVac na istniejącej osobnej eksperymentalnej linii 3KVdc wydaje się możliwe do szybkiego wykonania. Produkowane są transformatory do GPZ na napięcie SN 20 KV z napięciem WN 220 KV. Faktycznie napięcie jest większe a transformator ma regulację odczepów. Wyłączniki używane w systemach SN 15-20 KV wymagają tylko niewielkiej ( lub żadnej) adaptacji na potrzeby trakcji 25KVac jako że są to kopie modeli zachodnich wyłączników do sieci SN 20 kV. Wyłączniki na SN 20 KV na Zachodzie są masowo produkowane i nie są drogie. Otworzenie pierwszej osobnej linii kolejowej 25KVac może być całkiem proste. Wykonanie tyrystorowego sterowania dla systemu 25KVac w miejsce usuniętej aparatury 3KVdc w lokomotywie EU07 i pochodnych od niej jest jak najbardziej możliwe i niezbyt kosztowne. Odpowiednie diody i tyrystory mocy są w Polsce produkowane. Funkcjonalność dodatkowego zwrotu energii z hamowania do sieci jest tania a jej implementacja nie jest na początek konieczna.

Systemy trakcji 25KV-27.5KV / 50Hz i systemy prądu stałego koegzystują w innych krajach. Konieczność użycia systemu 25-27.5 KV / 50 Hz zależy od realnej ( a nie statystycznej bowiem papier przyjmie wszystko ) szybkości wzrostu gospodarczego Polski. Zakładając że kryzys się w końcu zakończy trzeba myśleć o nowej trakcji dużej mocy.

9.Wraz z napięciem nominalnym szybkich tyrystorów szybko rośnie ich czas wyłączania. Szeregowe łączenie tyrystorów na wysokie napięcia przy komutacji wymuszonej wymaga mocnego przewymiarowania gasików RC rozpraszających bardzo dużo mocy. Wykonanie dobrej jakości Choppera na nominalne napięcie 3.3KV (a tolerowane znacznie większe) jest bardzo trudne.