Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 134
Archiwum EnergoPatent.
Wstęp
Przed połową XVIII wieku występował w niektórych krajach długi wzrost gospodarczy na poziomie 0.1% rocznie przeplatany jednak wojnami i epidemiami cofającymi cywilizacje wstecz. Od połowy XVIII wieku wzrost gospodarczy na poziomie 0.5% pojawił się w Anglii a potem zachodniej europie. Czy ten „duży” wzrost gospodarczy miał związek z maszyną parową ? Korelacja nie jest dowodem związku przyczynowo - skutkowego ale określa prawdopodobieństwo jego zajścia. Wygląda na to że był związek.
Współcześnie przyjmuje się ze wzrostowi dochodu narodowego pc musi towarzyszyć podobny wzrost produkcji energii pc. Z tej prawidłowości wyłamały się tylko bardzo nowoczesne gospodarki Japonii i RFN.
Pomijając kryzysy, wojny i wahania koniunktury można przyjąć że gospodarka rozwija się eksponencjalnie ale wykładniki są różne w branżach i mają skłonność ( „krzywa uczenia” ) do zanikania. Na razie obowiązuje prawa Moore'a – wydajność mikroprocesorów i pojemność pamięci błyskawicznie rośnie. Ale postęp technologiczny w produkcji żelaza i stalownictwie jest coraz wolniejszy a są to podstawowe materiały przemysłowe. Sprawność elektrowni cieplnych rośnie już bardzo powoli. Społeczeństwa zachodu wystraszone awarią elektrowni jądrowej TMI i katastrofą w Czarnobylu sprzeciwiają się budowie elektrowni jądrowych i w tej dziedzinie jest regres a nie stagnacja.
Zbawienna energetyka termojądrowa może się pojawić za 50-100 lat lub wcale. Wcale nie jest powiedziane że będzie tania i bezpieczna. Tak jest tylko w marzeniach. Ale realnie równie zbawienne są reaktory powielające a i tak nie udaje się tej technologi do końca opanować.
Głębinowe wydobycie węgla kamiennego w Polsce jest realnie strasznie drogie i już pierwsza pracująca elektrownia jądrowa od razu polepszy sytuacje gospodarczą Polski.
W USA węgiel kamienny wydobywa się głównie metodą odkrywkową co jest bardzo tanie. Albo wykopuje się wielki dół odsłaniając złoże ( tak jak w Polsce i NRD złoża węgla brunatnego ) lub co jest jeszcze tańsze ścina się czubek góry składającej się głównie z węgla odsłaniając pokład.Trwa to kilka raz krócej niż wykopanie wielkiego dołu.
Obecnie komputer składak zgodny z IBM PC AT kosztuje w częściach ( montaż z modułów trwa mniej niż 30 minut ) 1000 dolarów a ma funkcjonalność komputera DEC VAX kosztującego niedawno ponad 30 tysięcy dolarów. Ale odwrotnie ceny energii rosną !
Zatem w dziedzinie informacji jest szybki postęp a w dziedzinie energii jest stagnacja lub regres !
Klucze mocy - tranzystory mocy bipolarne, tyrystory, GTO, Mosfety, IGBT są coraz lepsze ale ten postęp na tle mikroprocesorów i pamięci jest bardzo ślimazarny.
Obecnie dominuje w mikroelektronice krzem. Tylko elementy mikrofalowe wykonane są w Arsenku Galu, który jednak jest bardzo słaby technologicznie na tle krzemu a pojedyncze tranzystory są strasznie drogie.
Półprzewodniki znane są od 1835 roku ! Niebieską diodę LED (o znikomej sprawności ) z karborundu (SiC) przypadkiem odkryto w 1906 roku. Znanych jest 10 użytecznych półprzewodników z grupy 14 i kombinacji z grup 12,13,14,15,16 układu okresowego. Krzem pozytywnie wyróżnia się łatwością technologi mikroelektronicznej na nim.
Ale dla elementów mocy teoretycznie znacznie lepszy jest wymieniony SiC tyle że nie ma dla niego technologi mikroelektronicznej. Ale pomysłowość ludzka jest nieskończona.
W dalekosiężnym systemie przesyłu informacji cyfrowej Bell Laboratories o przepływności 224 Mb/s (szczegóły w BSTJ) z 1963 roku użyto tranzystorów „germanowych” o Ft aż 4 GHz i krzemowych o Ft do 1 GHz ! Informacje o użytej technologi były skąpe ale technologie należało określić jako Si-Ge to znaczy wykorzystano wysoką rozdzielczość fotolitografii do krzemu ale z „dodatkiem” Ge. Technologią taką obecnie można by wykonać tranzystory o Ft rzędu 50 GHz ale ponieważ rozdzielczość technologii mikroelektronicznej szybko rośnie to za circa 10 lat taką Ft otrzymany w technologi krzemowej
Dla każdego półprzewodnika istnieje fizyczny iloraz Ft x Uceo. Obecnie jednak produkowane tranzystory dyskretne i scalone są daleko od tej fizycznej granicy krzemu. Przy dużych Ft małe Uceo wcale nie jest wadą bo i tak ze względu na pobór mocy muszą być stosowane małe napięcia zasilania – oczywiście poza wzmacniaczami mocy RF. Ale Ft niestety szybko maleje w tranzystorach wysokonapięciowych i obecnie nie produkuje się masowo tranzystorów o Uceo większym od 800 V.
Do szybkiego przełączania tranzystorów bipolarnych i tyrystorów GTO potrzebne są dynamicznie prądy sterujące bazy / bramki niewiele mniejsze od prądów klucza. W tych „szybkich” (na tle tranzystora HV ) driverach użyte są jednak tranzystory niskonapięciowe o dużo większej Ft.
Popularyzacji komputerów i elektroniki domowej towarzyszy ogromny wzrost (głównie Japonia ) zautomatyzowanej produkcji małych silników krokowych i BLDC do napędów dysków elastycznych i twardych, drukarek oraz odtwarzaczy CD i magnetowidów. Pojawiły się scalone drivery to tych silniczków. Ich użycie zamiast mrowia elementów dyskretnych bardzo upraszcza konstrukcje elektroniki. Za przyszłościową technologie takich i mocniejszych driverów uważana jest technologia DMOS ale przekroczenie progu mocy 100 W będzie trudne. Ale nawet te 100 W to jednak za mało do sterowania silników maszyn CNC i robotów. Nawet tych najmniejszych.
Komputery takie jak S360, S370... miały ogromną ilość modułów i mechanicznych detali do użytecznego urządzeń zestawu. Produkcje takich maszyn mogły prowadzić faktycznie tylko koncerny. Ale produkcje prostych i tanich domowych mikrokomputerów Apple, TRS, Commodore, Atari, ZX, moduły do PC podjęły niewielkie firmy. Firmy z europy zachodniej nie potrafią się w nowej sytuacji znaleźć.
Obecnie średnia (i szybko rosnąca) firma na Tajwanie masowo produkuje jeden lub dwa moduły do komputera zgodnego z PC. IC pochodzą głównie z sąsiedniej Japonii, która w dziedzinie pamięci DRAM ma ponad 80% produkcji światowej.
Współcześnie bogactwo krajów bierze się z nowoczesnej i skomplikowanej produkcji.
Są zaledwie trzy bogate i normalne kraje surowcowe w świecie: Kanada, Australia i Norwegia. Wysoko dotowany eksport polskiego węgla zubaża Polaków i hamuje rozwój.
Tylko USA są w świecie w uprzywilejowanej pozycji drukarza dolara. „Dolar to nasza waluta a wasz problem” USA „eksportują” wywołanym drukiem inflacje na cały świat. Zatem za wiele dolarów też nie mogą wydrukować.
Człowiek energii z mięśni zwierząt i niewolników oraz energie wody i wiatru używał już w starożytności.
Energia Elektryczna (EE) jest najszlachetniejszą formą energii. Sprawność synchronicznego generatora 1500 MW przetwarzającego energie mechaniczną z turbiny parowej na energie elektryczna wynosi 99%. Zgodnie z Prawami Podobieństwa sprawność maszyn elektrycznych rośnie z ich mocą a ciężar jednostkowy spada. Efekt skali w maszynach elektrycznych jest bardzo silny. Energetyka szeroko czerpie z wielkiego efektu skali i jednostkowe koszty wytwarzania EE są bardzo niskie.
W USA cena EE dla gospodarstw domowych jest typowo do 3 razy wyższa niż sprzedawana do sieci przesyłowej przez elektrownie – tak tania jest produkcja EE.
Optymalne napięcie maszyn elektrycznych rośnie z ich mocą. Generator mocy 30 MW może być na standardowe napięcie 6.3 KV a generator 1500 MW na napięcie 27 KV.
Z kolei driver silniczka krokowego do pozycjonowania głowic dyskietki zasilany jest z napięcia 5Vdc ale już w twardym dysku zasilany jest z napięcia 12V.
Moc napędu jako skalar jest pojęciem adekwatnym do napędu roboczego o stałej prędkości i w przypadku serwomechanizmów ma mocno ograniczoną użyteczność. Każdy silnik ( elektryczny, spalinowy, turbina) ma charakterystykę maksymalnego momentu w funkcji obrotów. Tu istotny jest statyczny i dynamiczny moment serwonapędu w funkcji obrotów wraz z możliwością chwilowego forsowanie momentu.
Ośmiogodzinna średnia moc robotnika fizycznego nie przekracza 100 W ( z reguły jest mniejsza) ale moc szczytowa jest znacznie (x10) większa. Energia mechaniczna wytwarzana przez robotnika jest więc bardzo droga. W USA kilowatogodzina EE w przemyśle kosztuje 5 centów a godzina pracy robotnika kosztuje średnio 8 dolarów ! Ale robotnik dostarcza inteligentnej energii !
Maszyny czynności produkcyjne wykonują zupełnie inaczej niż człowiek. Bardzo pomysłowa była maszyna do zwijania papierosów zastępująca pracę kompanii robotników. Bardzo wydajna była genialna maszyna do produkcji butelek co spowodowało spadek ich cen i duży wzrost produkcji.
Są też Procesy produkcyjne bardzo brutalne:
-Moc największych stalowniczych pieców łukowych wynosi 200 MW.
-Moc najmocniejszych napędów stalowniczych walcarek przekracza 10 MW
W Polsce silniki asynchroniczne zużywają blisko 70% produkowanej EE.
EE inteligentnie aplikują serwomechanizmami maszyny CNC i roboty przemysłowe. Koszt robota przemysłowego rośnie wraz z jego udźwigiem oraz zasięgiem i ilością osi. Duży sześcioosiowy robot kosztuje do 200 tysięcy dolarów ale mniejsze roboty są znacznie tańsze. W krajach I Świata gdzie praca robotnika jest droga roboty amortyzuję się w czasie krótszym od 5-10 lat. Inwestycja nie jest więc hiper rentowna a to dlatego że robot jest drogi a dodatkowo trzeba przygotować dla niego stanowisko i sporządzić program pracy. Jedynym krajem świata gdzie roboty stosowane są rutynowo jest Japonia ale osiągnięcie tego stanu dużo kosztowało. Tych umiejętności Japonia nie eksportuje ! W sporych ilościach sprzedawane są w całym świecie robociki edukacyjne koncernu Mitsubishi.
Cena robotów jest w trendzie spadkowym. Cena części komputerowej robota i maszyny CNC spada. Ceny kluczy mocy do invertera spadają ale wolniej . Im dłuższa jest seria produkcyjna tym mniejsze podzielone koszty wytworzenia projektu a w tym oprogramowania.
Wydaje się że nie pieniądze na inwestycje ale brak umiejętności zastosowania robotów stanie się hamulcem i to już w dającej się przewidzieć przyszłości.
Warunkiem koniecznym wzrostu gospodarczego i rozwoju jest poprawna alokacja kapitału inwestycyjnego. Dobra rzadkie należy stosować tam gdzie przynoszą największą korzyść.
Systemy „Power Electronics” czyli Energo Elektroniki przetwarzają energie dostarczoną przez Elektrownie do zasilanych maszyn, systemów i urządzeń.
Wydobycie węgla i produkcja energii elektrycznej z niego w Polsce są jawnie i niejawnie bardzo wysoko dotowane. Dotacje te są całościowo bardzo szkodliwe ale bez nich okaże się że spora część starego przemysłu ciężkiego jest anachroniczna i jako wysoce energochłonna jest głęboko nierentowna. Ponieważ ogromna armia ludzi w następstwie kryzysu i stanu wojennego już została skierowana na emerytury i renty pole manewru jest już niewielkie .
Systemy energoelektroniki pozwalają oszczędzać energie ale mogą być drogie na co na pierwszym miejscu składają się ceny kluczy mocy.
Dla układów odchylanie poziomego z zasilaczem anodowym wysokiego napięcia do kineskopu odbiornika TV dość szybko opracowano udane pentody mocy o dużej wydajności katod i małym napięciu Uak przy pełnym wysterowaniu. Już wcześniej przetwornice wysokiego napięcia zasilały lampy oscyloskopowe.
Sterowanych fazowo tyratronów używano w zasilaczach napięć anodowych w urządzeniach wielolampowych i o dużym poborze prądu jak w lampowych komputerach. Używano prostowników rtęciowych i sterowanych fazowo ignitronów dużej mocy.
Wynalazkami wszechczasów są tranzystory bipolarny (1948) i Mosfet (1959) odkryte w Bell Laboratories. Od lat trzydziestych poszukiwano tam elementu aktywnego lepszego niż duża i energożerna lampa elektronowa. Epokowe odkrycia powstają z praktycznych potrzeb ! Z większości zastosowań lampy zostały wyparte przez tranzystory.
Dalej pozostały masowo lampy elektronowe CRT w odbiornikach TV / TVC i monitorach komputerowych, nadawcze dużej mocy, mikrofalowe a szczególnie klystron i RTG-X. Urządzenia z tymi lampami wymagają regulowanych zasilaczy dużej mocy czyli energoelektroniki.
Lampa -Wzmacniacz obrazu pracuje w noktowizorze szczególnie użytecznym w zastosowaniach militarnych. Pobór mocy z zasilacza wysokiego napięcia jest znikomy ale tylko przetworniczka tranzystorowa ma odpowiednio wysoką sprawność co zapewnia długą prace z akumulatorem.
Tak samo pobór mocy z zasilacza wysokiego napięcia przez licznik Geigera Miller jest znikomy ale tylko przetworniczka tranzystorowa ma odpowiednio wysoką sprawność co zapewnia bardzo długą (czuwanie rentgenoradiometru do roku !) prace z akumulatorem lub baterią.
Współcześnie kluczami energoelektronicznymi są tyrystory, tyrystory wyłączalne GTO i tranzystory bipolarne najczęściej Darlingtona a względną nowością są tranzystory Power Mosfet a prawdziwą nowością ( pierwsze katalogowe, komercyjne z normalnej produkcji GE z 1985 roku ) tranzystory IGBT. Na razie Mosfety pracują w zakresie małych mocy. Największą moc jako klucze mają tyrystory ale są najwolniejsze.
Europa Zachodnia w mikroelektronice była i jest spóźniona za USA i Japonią. Serie sygnałowych tranzystorów BC107,108,109 w obudowie metalowej Philips i Mullard opracowali w 1963 roku ale na rynku pojawiła się dopiero w 1966 roku. Obudowę plastikową zastosowano w 1968 roku. W 1968 roku podjęto w ZSRR od razu masową produkcje taniego plastikowego tranzystora KT315 i w tym samym roku rozpoczęto masową produkcje urządzeń z nimi. Serie tranzystorów mocy mesa KT80X wypuszczono też w 1968 roku. O ile start był udany to dalej zapanowała stagnacja.
Polska nie była w stanie samodzielnie podjąć produkcji krzemowych tranzystorów a co dopiero układów scalonych
Licencje i tranzystorową linie produkcyjną od ZSRR kupiła też Polska ale dużą produkcje uruchomiono dopiero na liniach kupionych od Francji. Ale zakupiona technologia się starzeje bez ciągłej modernizacji.
Zastosowania komputerów w systemach przemysłowych i infrastruktury jest bardzo opłacalne. Niestety systemy operacyjne komputerów PC nie są systemami czasu rzeczywistego co jest bardzo poważną ich wadą ograniczającą zastosowania w zadaniach sterowania. Wada ta jest trudna do usunięcia ale jednak jest to połowicznie możliwe.
Inne opracowanie dotyczy hardwaru i programowej implementacji algorytmów sterowania użytych w CNC i robotach przemysłowych.
KOLEJ
Ambicją każdego nowoczesnego kraju jest posiadanie efektywnego zintegrowanego systemu transportu towarowego i pasażerskiego.
Systemy transportu mają już za sobą długą drogę rozwoju technologicznego.
Technologia decyduje o tym co i jak produkujemy, jak pracujemy, czego i jak się uczymy, jak podróżujemy, jak się tele-komunikujemy, jak spędzamy wolny czas.
Technologia decyduje o taktyce, sztuce operacyjnej i strategi wojny.
Realnie historia technologii to historia rozwoju cywilizacji.
Powszechny dobrobyt przyniosła Zachodowi dopiero produkcja masowa. Pojęcie „produkcja masowa” jest powszechnie nierozumiane. W krajach RWPG nie wymyślono ani jednego systemu technologi produkcji masowej ! Wymagała ona wprowadzenie wielu nowych rozwiązań instytucjonalnych. Potrzebny był stabilny robotnik i stąd ubezpieczenia społeczne (zachęcenie do trwałego porzucenia rolnictwa – wielopokoleniowej wsi na rzecz przemysłu ) i od bezrobocia oraz związki zawodowe. Masowa produkcja wymaga dużego rynku i stąd konieczność transportu towaru na znaczne odległości całego rynku. Zasoby naturalne są w różnych miejscach i wymaga to transportu. W USA i ZSRR surowce koleją wozi się tysiącami kilometrów. W skali świata daleki transport towarowy jest głównie oceaniczny.
Zatem technologia wspiera długofalowy rozwój gospodarczo – społeczny tylko przy zastosowaniu odpowiednich rozwiązań instytucjonalnych. Stąd skorumpowane kraje III Świata tkwią w stagnacji i biedzie.
W Polsce PKP zatrudnia największą ilość chłoporobotników i na części linii stanowią oni gro pasażerów. Ma to raczej niewielki sens. Wożenie węgla kamiennego na nierentowny eksport tylko nas zubaża. Zatem nie każda praca przewozowa ma w ogóle sens i jest pożyteczna !
Kolej była pierwszym nowoczesnym systemem masowego transportu pasażerskiego. W USA kolej szczyt przewozów pasażerskich osiągnęła w latach dwudziestych. Podstawowym środkiem transportu stały się tam samochody osobowe, ciężarowe i autobusy a na dużych dystansach samoloty.
Ludzie na większe dystanse przemieszczają się do pracy ( nie zawsze jest to globalnie racjonalne i uzasadnione ) także w różne delegacje, szkoły, na wakacje, na święta. Efektywność pasażerskiego systemu zintegrowanego mierzona jest czasem całej podróży „od drzwi do drzwi”. Cała kombinowana podróż może się odbyć tramwajem / metrem / autobusem /taksówką a dalej koleją lub autobusem i samolotem.
Optymalizacja systemu transportowego jest bardzo trudna ale długoterminowe korzyści z tego procesu optymalizacji są bardzo duże. Generalnie optymalizacja wszelkiej infrastruktury daje potężne korzyści długofalowe. Tworzenie infrastruktury bez celu jest zaś prostą drogą do biedy.
Mieszkańców krajów bogatych stać na dalekie wakacyjne podróże przyjemnościowe statkiem, koleją i samolotem a bardzo rzadko statkiem.
Wraz rosnącym DN pc maleje udział podstawowych wydatków na żywność i mieszkanie a rośnie udział wydatków „przyjemościowych”. Można pójść do restauracji, teatru , kina, na tańce... Można też pojechać na wycieczkę korzystając z... kolei i zakwaterowania na przykład w hotelu lub ośrodku wczasowym.
Szybka kolej ( definicyjnie o prędkości maksymalnej ponad 200 km/h ) na dystansach 300-600 km jest konkurencją dla połączeń lotniczych. Mimo iż samolot jest 2-3 razy szybszy to kolej ma dworce w miastach a lotniska są poza miastami. Nie ma też czasochłonnej odprawy bagażu.
Dla długoterminowej rentowności projektu ilość obsługiwanych szybką linią pasażerów musi być znacznie większa od 6 mln rocznie. Zatem szybka kolej jest rozwiązaniem dla bogatych państw ludnych z regionami o dużej gęstości zamieszkania. W Polsce warunek ten potencjalnie spełnia tylko kilka połączeń ale nie jesteśmy państwem bogatym. Niemniej każdy kryzys kiedyś się kończy i można spekulować. Ze sprzedaży biletów pośpiesznych w PKP wynika że potencjalnie szybka kolej mogłaby łączyć tylko Warszawę, Łódź, Wrocław i Poznań. Mimo iż Kraków i Trójmiasto są ludne to za mały jest całoroczny ruch. Ruch turystyczny nad morze i z powrotem jest tylko w sezonie wakacyjnym.
Otwarte jest pytanie jak dużą część pasażerów stać by było na szybką kolej ?
W gruncie rzeczy ogólnospołeczna korzyść z szybkiej kolei byłaby w Polsce mocno ograniczona. Lepszym rozwiązaniem jest ogólna poprawa średniej szybkości i skomunikowanie pociągów i innych środków transportu.
Szybka francuska kolej TGV łączy tylko specjalnymi torowiskami metropolie. Pociągi TGV nie zatrzymują się po drodze. W Polsce szybkie pociągi też obsługiwałyby tylko wymienione miasta.
Sprawa optymalizacji ruchu nie jest łatwa. Potrzebnych jest wiele danych. Weźmy trywialny przykład.
Niech pociąg pośpieszny łączy miasta A i C. Czy warto zatrzymać go w pośrednim mieście B ?
-Podróż odcinkiem AC będzie dłuższa czyli podróżni tracą czas a czas to pieniądz bowiem są też pracownikami. Większe jest zużycie taboru, torów, energii i czas zajęcia torów i taboru. Może być konieczne dodanie kolejnego wagonu a średnie wypełnienie pociągu podróżnymi może spaść co jest niekorzystne.
-Oszczędzają czas podróżni na odcinkach AB i BC. Trudno powiedzieć jaka jest różnica w kosztach alternatywnej ich podróży. Nie znając różnicy możemy ją szacować lub przyjąć że jest zerowa.
Szybkie połączenie miasta B z krajem przynosi mu różne korzyści rozwojowe ale są one trudne do oszacowania.
Mając dane można dokonać porównań. Należy jednak pamiętać o tym że dotacje ( kolej jest dotowana w wielu krajach świata a nie tylko w Polsce ) mogą prowadzić do błędnych wniosków a ogólnie prowokują one marnotrawstwo. Zatem wpierw osobno możemy porównać tracony czas wszystkich podróżnych i osobno koszty w pieniądzu. Dzięki temu unikniemy porównywania rzeczy które na sutek dotacji stały się nieporównywalne. Porównywanie bowiem jabłek z cegłą ma niewielki sens. Z braku dokładnych danych można bazując na ogólnych danych oszacować liczbę chętnych podróżnych odcinkami AB i BC. Po eksperymentalnym wprowadzeniu przystanku w B przekonamy się sprzedażą biletów czy decyzja była słuszna. Pamiętać jednak należy od tym że podróżni potrzebują czasu na decyzje toteż przystanek wprowadzamy conajmniej na rok w nowym rozkładzie jazdy.
N.B. Im bardziej ambitne jest zadanie dla programu komputerowego tym większa jest potencjalna korzyść. Najłatwiejsze jest zastosowanie komputerów w księgowości, płacach, magazynie ale tam z reguły nie ma żadnej korzyści a po komputeryzacji wzrasta zatrudnienie.
Znaczną część Dochodu Narodowego w świecie wytwarza sektor transportu towarowego i pasażerskiego.
Rocznik Statystyczny GUS w dziale „Przegląd Międzynarodowy” podaje informacje o transporcie kolejowym i samochodowym. W stosunku do krajów bogatych per capita mamy mało samochodów osobowych i mniejsze są przewozy ciężarówkami. Natomiast PKP wykonuje podobną a nawet większą prace przewozową. Polacy bardzo rzadko korzystają z podróży lotniczych.
Zasoby naturalne są rozłożone na powierzchni Ziemi bardzo nierównomiernie i stąd potrzeba ich masowego transportu lądowego ( odległego jak w ZSRR, USA, Kanadzie ) i oceanicznego. Normalne jest wożenie surowców tysiącami kilometrów. Pociągami towarowymi i statkami przewozi się także półprodukty i gotowe towary.
Biorąc pod uwagę wszystkie składowe koszta, na mniejsze dystanse bardziej ekonomiczny od kolei jest transport ciężarówkami.
Energia dla transportu pozyskiwana jest z węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu ziemnego, z rozpadu atomu i spadku wody w hydroelektrowniach.
W spalinowym transporcie towarowym i zbiorowym transporcie pasażerskim dominują doładowane silniki Diesla mające lepszą sprawność niż silniki benzynowe. Producenci podają im na wykresie M-n jednostkowe zużycie paliwa. Pokazany wykres dotyczy silnika FIAT o mocy 82 KW.
Jak widać optymalne dla sprawności obciążenie silnika jest na wykresie P-n praktycznie odcinkiem (przechodzi przez środki konturów kolejno rosnącego jednostkowego zużycia paliwa ) co bardzo ułatwia budowę układu optymalnie sterującego silnik w systemie.
Silnik Diesla mocy nie może pracować zbyt długo z małym obciążeniem bowiem dochodzi do „nawęglania” przestrzeni cylindra, które jest jednak w porę odwracalnie „wypalone” przy pracy z większą mocą.
Silnik ten przy średnio-dużych mocach osiąga sprawność (wartość energetyczna oleju napędowego wynosi 43 MJ/kg ) do 35.3 %. Silnik Diesla o mocy 500 KW osiągają do 39% sprawności. Ale silniki jeszcze większej mocy używane w lokomotywach liniowych (do 42%) i wielkich statkach oceanicznych (do 52%) osiągają większe sprawności.
Między silnikiem Diesla a kołami pojazdu są jeszcze stratne sprzęgło, przekładnia i wały napędowe.
W lokomotywach stosuje się sprzęgło hydrokinetyczne lub wał elektryczny gdzie silnik Diesla napędza synchroniczną prądnice z prostownikiem a wytworzona energia elektryczna napędza silniki prądu stałego DC elektryczne wózka. Lokomotywa z wałem elektrycznym ma lepszą sprawność przy małych prędkościach jazdy ale jest cięższa i droższa.
Waga lokomotywy nie zawsze jest negatywem ponieważ jej maksymalna siła pociągowa (zrywanie przyczepności kół) jest proporcjonalna do jej masy.
Energie chemiczną paliwa elektrownia zamienia w energie elektryczną z określoną sprawnością. Od elektrowni-paliwa do kół lokomotywy jest energetyczny system przesyłowy, (dystrybucyjny), podstacje trakcyjne, trakcja, system regulowania obrotów silnika, silnik elektryczny i przekładnia.
Gdy w elektrowni cieplnej energie elektryczną wytworzymy z ropy naftowej to kolej elektryczna jest circa 30% mniej energetycznie sprawna niż kolej z lokomotywą Diesla. Ponieważ Stany Zjednoczone mają własne zasoby ropy naftowej (dla części elektrowni ) to po etapie szybkiej elektryfikacji kolei doszło do de-elektryfikacji i likwidacji trakcji. Kolej elektryczna jest w USA niekonkurencyjna do kolei Diesla. Relatywna taniość paliwa Diesla skutkuje także w USA popularnością transportu towarowego ciężarówkami, także na duże dystanse.
Szybka kolej w USA nie istnieje natomiast bardzo popularna jest tam komunikacja lotnicza.
Węglem kamiennym wysokiej jakości ( drogi i łatwy do sprzedania ) opalane były lokomotywy parowe ( były też rzadkie konstrukcje dla węgla niskiej jakości ) ale na koniec ich rozwoju sprawność ich rzadko przekraczała 5%. Współczesną technologią można by zbudować dużą lokomotywę z turbiną parową na wysokie parametry pary z przegrzewem wtórnym o dużo większej sprawności ( do 23%) ale rozwiązanie to jest jednak niekonkurencyjne kosztowo na tle kolei elektrycznej i diesla.
Węgiel energetyczny jest towarem międzynarodowym. Frakcje grube stanowią w nim tylko 15-30% masy. Tak więc w „węglu” węgla grubego – jakościowego po selekcji do parowozów i ogrzewania domów jest mało !
Najsilniejsze w świecie szybkie, ciężkie parowozy towarowe „Big Boy” miały moc 7500 KM. Zdolne były ciągnąć ciężki skład z dużą prędkością pod górskim nachyleniem 1.2 stopnia. Najsilniejsze „polskie” (kopia amerykańskich „Trumanów”) ciężkie lokomotywy Ty51 miały moc około 2200 KM.
Produkcje parowozów zakończono na Zachodzie w latach pięćdziesiątych i niewiele później w Polsce.
Kraje europejskie w większości nie mają zasobów ropy naftowej ( Europa Zachodnia i Norwegia mają ograniczone zasoby ropy i gazu ziemnego pod dnem Morza Północnego) i ich sytuacja jest odmienna niż USA. Stąd popularność kolei elektrycznej w Europie i obecność rozwijanej szybkiej kolei.
Energia chemiczna jest w węglu kamiennym ( węgiel brunatny nie jest w świecie towarem handlowym i kopalnia jest zawsze „przy” elektrowni) znacznie tańsza niż w ropie naftowej ! W dłuższych okresach czasu światowe ceny surowców energetycznych są ze sobą skorelowane i baryłka ropy naftowej (159 litrów ) kosztuje tyle samo co tona standardowego energetycznego węgla kamiennego o wartości energetycznej 25 MJ / kg. W takich realiach, mimo kosztu infrastruktury kolei elektrycznej, jest ona ekonomicznie opłacalna nad koleją Diesla.
Prędkość pociągów z lokomotywą Diesla faktycznie dochodzi do 160 km/h ( rzadko 200 km/h) i większa jest niemożliwa z powodu dynamicznego obciążenia torów. Napęd elektryczny dla szybkich pociągów jest więc koniecznością.
Zwróćmy uwagę na to że paliwo płynne jest bardzo gęstym nośnikiem energii. Jest „szlachetne” i ma mnóstwo zalet oraz alternatywnych zastosowań.
Ponieważ Alianci odcięli III Rzeszy dostęp do ropy naftowej a próba grabieży zasobów ZSRR się nie udała to w III Rzeszy litr paliwa silnikowego desperacko produkowano z 7-8 kg węgla kamiennego ! Odcięcie przez USA dostępu Japonii od ropy naftowej skłoniło ją do desperackiej napaści na bazy morskie USA na Pacyfiku.
Z ropy naftowej produkuje się paliwa ale też nawozy sztuczne, plastiki i ponad 20 tysięcy podstawowych produktów chemicznych.
Ropa naftowa jest najważniejszym towarem handlowym świata. Ciężka chemia oparta o węgiel jako niekonkurencyjna wobec petrochemii zniknęła w świecie. Jej relikty są w Polsce i w NRD.
Sytuacja Polski w dziedzinie energii jest trudna. Jednostkowy nakład pracy w polskim głębinowym górnictwie węgla kamiennego jest jednym z najwyższych lub najwyższym w świecie. Wydajność pracy w odkrywkowych kopalniach węgla kamiennego w USA i Australii jest nawet 50-100 razy wyższa niż w Polsce. Europa Zachodnia już porzuciła lub kończy drogie, głębinowe wydobycie węgla.
Z drugiej strony ZSRR za ropę każe nam płacić w dolarach mimo iż w bloku RWPG walutą handlu jest rubel transferowy.
Realnie bez zniekształcających sytuacje wysokich dotacji energia w Polsce jest droga i z taką realnie drogą energią wiele przestarzałych technologicznie zakładów energożernych jest trwale, głęboko nierentowne ! Chowanie głowy w piasek powoduje tylko dalsze narastanie problemu.
Część kopalni węgla kamiennego jest nierentowna już od lat sześćdziesiątych. „Zbawieniem” dla Polski jest budowana energetyka jądrowa.
Zapotrzebowanie na energie w transporcie szynowym wynosi od 10-15 Wh/t*km w transporcie towarowym na płaskim terenie przy umiarkowanych szybkościach jazdy, poprzez 20 Wh/t*km na nierównym terenie i większych prędkościach, 30 Wh/t*km w normalnym pociągu osobowym, do 40-60 Wh/t*km w metrze i 35-120 Wh/t*km w tramwaju zależnie od odcinków przystanków i prędkości. W przypadku pociągów pasażerskich opór aerodynamiczny przekracza opór toczenia przy prędkości 70-90 km/h. W przypadku szybkiego pociągu dominuje opór aerodynamiczny rosnący z 2 a potem z 3 potęgą prędkości. Stąd pobór mocy przez szybkie pociągi Shinkansen i TGV dochodzi do 10 MW mimo ich opływowego aerodynamicznego (wzorowany na dziobie samolotu odrzutowego ) kształtu.
Zwraca uwagę to że z rosnącą prędkością i odległościami między przystankami maleje możliwa ilość energii z hamowania do rekuperacji. W przypadku pociągów Shinkansen i TGV jest wprost znikoma. Natomiast rekuperacja ma sens w tramwajach, metrze i pociągach miejsko – podmiejskich. Rekuperacja nie jest możliwa przy relatywnie małych prędkościach i ogólnie małych momentach hamowania. Rozwiązaniem bardziej racjonalnym niż rekuperacja może być stosowanie wybiegu. Do tego trzeba jednak doświadczonego maszynisty lub lepiej komputera z prostym systemem cyfrowej łączności co przynosi korzyści ze „świadomości sytuacyjnej”.
Pociągi Shinkansen i TGV mają sterujący mikrokomputer z łączem radiowym z regionalnym komputerem zawiadującym system. Dotychczas nie było poważnego wypadku z pociągami Shinkansen i TGV co świadczy o bardzo racjonalnej konstrukcji systemów.
Jednostkowy koszt transportu pasażerskiego zależy od prędkości pociągu. Z rosnącą prędkością wzrasta jednostkowe zużycie energii i zużycie toru oraz taboru. Wzrasta prawdopodobieństwo wypadku i jego koszt. Spada marnotrawstwo czasu podróżnych oraz zajętość taboru i szlaku.
W świecie szybkość zbiorowych podróży długodystansowych jest dobrze skorelowana z Dochodem Narodowym per capita. Tylko mieszkańcy najbogatszych krajów masowo podróżują samolotami. Stosunkowo mało popularna w świecie jest Szybka Kolej czyli składy Shin-kansen lub Shinkansen w Japonii i TGV we Francji. Każdy relatywnie lekki segment szybkiego pociągu ma własny elektryczny napęd bowiem przy prędkościach powyżej 200 km / h wykluczone jest użycie ciężkich lokomotyw z uwagi na duże, niszczące dynamiczne obciążenie torów. Specjalne torowiska Szybkiej Kolei mają bardzo równą nawierzchnie. Dla bezpieczeństwa torowiska są ogrodzone aby nikt tam nie wtargnął. W czasie przerwy nocnej tory są diagnozowane specjalnym wyposażonym pojazdem szynowym. Nawet drobne usterki są od razu usuwane.
Pobierana z trakcji „25 KVac” moc przez nowoczesny skład Shinkansen i TGV może przekroczyć 10 MW.
Wybrane w przeszłości ogólne rozwiązania infrastrukturalne mogą się stać hamulcem w dalszym rozwoju gospodarki. Według poglądu argumentowanego w literaturze trudno jest znaleźć wyjście z takiej sytuacji nie połączone z gigantycznymi kosztami i potężnymi trudnościami realizacyjnymi.
W Polsce dyskutowano już wybór rodzaju trakcji w 1956 roku. Ponieważ stosowano wówczas prostowniki rtęciowe nieodporne na poruszanie ( nie można było ich użyć w lokomotywie ) zrezygnowano z prądu zmiennego choć już wtedy moc trakcji DC wydawała się za mała.
Stosowana w Polsce trakcja kolejowa 3000 Vdc ( jałowo na wyjściu podstacji jest nominalnie 3300 Vdc ) ma zalety ale nie pozwala na pobór dużej mocy dla pseudo - szybkich pociągów pasażerskich i ciężkich pociągów towarowych i to nawet przy gęstym rozmieszczeniu podstacji zasilających trakcje. Przy gęstości prądu w przewodach 3 A /mm2 i sumarycznym przekroju przewodów aż 600 mm2 Cu !, pobrana moc z tej ciężkiej trakcji wynosi do 5.4 MW. To zdecydowanie za mało dla prawdziwie szybkich pociągów. Dodatkowo przy prądzie 1800 A i prędkości ponad 200 km /h duże jest zużycie przewodów i odbieraka prądu.
Przy dużym przekroju przewodów i gęstym rozmieszczeniu podstacji o dużej mocy prąd zwarciowy przekroczy 50 KA co jeszcze bardziej podniesie koszt szybkich i drogich wyłączników prądu stałego DC rozłączających dewastujące zwarcia.
Są zatem dwa czynniki ograniczające pobieraną moc:
-Przekrój przewodów trakcji dla obciążenia cieplnego
-Odległości między podstacjami czyli spadki napięć
Odległości podstacji wynoszące 10-25 km są znacznie mniejsze niż ogólnie w systemie „25 KVac”
Współcześnie system trakcji 3 KVdc jest najdroższy ze wszystkich systemów. Większość obciążonych szlaków kolejowych jest już w Polsce zelektryfikowana i zakumulowano w tym duży majątek.
Zakładając optymistycznie że kryzys kiedyś się skończy i wrócimy na ścieżkę wzrostu gospodarczego konieczna jest optymalizacja systemu 3 KV lub już obecnie wprowadzenie trakcji „25KVac-50Hz” na najważniejszych liniach kolejowych. Dlatego że nie ma innej sensownej alternatywy !
Wybór systemu energetycznego trakcji ma poważne, długoterminowe, strategiczne konsekwencje.
W ZSRR eksperymentowano z trakcją 6 i 12 KVdc z ignitronami jako kluczami mocy ( wymuszona komutacja obwodami LC podobnie jak w układach tyrystorowych ) w systemie obniżenia napięcia i regulacji w lokomotywie ale zawodność była tragicznie zła i źle rokujące prace porzucono. Do dziś nie opracowano wyłączników szybkich dla prądów zwarciowych na takie napięcia.
W RFN i krajach z nimi związanych językowo i gospodarczo stosowana jest trakcja 15 KVac napięcia zmiennego 16 2/3 Hz. Standard ten wprowadzono w 1912 roku. Choć małe komutatorowe silniki uniwersalne (zawsze szeregowe) pracują poprawnie zasilane siecią prądu zmiennego 50 Hz to w przypadku dużych napędowych silników komutatorowych lokomotywy pracują poprawnie dopiero przy znacznie mniejszej częstotliwości. Przy obniżonej częstotliwości korzystnie znacznie mniejsza jest też impedancja szyn kolejowych szlaku co na tle systemu „25 KV”-50 Hz bardzo upraszcza jego budowę. System ten nie jest jednak ekonomicznie konkurencyjny do systemów „25 KVac”. Energie do tego systemu dostarcza napędzany turbiną parową dedykowany generator 16 2/3 Hz ( to wydzielony blok elektrowni ) lub elektrownia wodna lub tyrystorowe cyklokonwertery lub przetwornice maszynowe składające się z asynchronicznego pierścieniowego silnika napędowego zasilonego z energetycznej sieci trójfazowej 50 Hz (od strony wirnika zasilany z cyklokonwertera ) i generatora synchronicznego 16 2/3 Hz. W RFN istnieje osobna niewielka ( circa 4 tysięcy kilometrów długości ) jednofazowa sieć 110 KV – 16 2/3 Hz służąca wyłącznie do zasilania podstacji kolejowych. Jest ona symetryczna jako 2 x 55 KV. Podobnie jak w nieuziemionych trójfazowych sieciach SN stosowany jest gaszący dławik Petersena i często uderzenia pioruna nie powoduje zwarcia do rozłączenia przez CB.
Trakcja 15KV 16 2/3 Hz nie jest sekcjonowana co jest jej zaletą w przeciwieństwie do sieci 25 KVac 50 Hz gdzie kolejne odcinki są zasilane z różnych faz systemu trójfazowego lub kwadratury napięć.
W ZSRR stosowane są różne trakcje a w tym 3000 Vdc i 25 KVac ( na wyjściach podstacji 3300 Vdc i 27.5 KVac) . Ta druga pozwala na pobór dużej mocy ale też przy mniejszej mocy ( takiej jak trakcja 3000 Vdc ) pozwala na mniejszy przekrój przewodów sieci i bardzo rzadkie rozmieszczenie podstacji energetycznych co ma wielkie znaczenie na wielkich syberyjskich terenach czyli słabo zamieszkanych pustkowiach.
W trakcji „25KVac” spadek napięcia na szynach ( jako ferromagnetyk mają sporą impedancje ) byłby za duży i dlatego stosuje się zawsze przewód powrotny (o conajmniej takim przekroju jak sama trakcja ) oraz co 2-4 kilometrowy odcinek jednofazowe transformatory Booster ( Japonia od 1964 roku ) mocy 50-200 KVA powodujące przejmowanie na dłuższej odległości prądu z szyn przez przewód powrotny. Przy braku transformatorów Booster napięcie na szynach w stosunku do gruntu jest już niebezpieczne dla człowieka i bardzo mocno przekracza dopuszczalne 60 V. W innym nowym systemie „25 KV” a faktycznie 2 x 25 KV napięcie między przewodami na szlaku wynosi 50 KV. Co odcinek rzędu 10 km włączony jest między oba przewody 2 x 25 KV autotransformator ( moc do 10 MW, bardzo małe napięcie zwarcia rzędu 1% ) którego środek uzwojenia dołączono do szyn i równoległego przewodu. Autotransformator ( jest ich niewiele ) ma znacznie większą moc niż transformator Booster ale finalnie koszty systemu 2 x 25 KV są najmniejsze dlatego że podstacje mogą być w odległości ekstremalnie do 100-120 KM ! Podstacje należy wybudować w miejscu jak najbliższym sieci NN lub chociaż WN.
Eksperymentalne wprowadzenie w Polsce trakcji „25 KVac” nie będzie sprawą prostą ale jest możliwe. Można wybrać do tego celu obciążoną linie dotychczas niezelektryfikowaną i zamiast systemu 3 KVdc zelektryfikować ją systemem 25 KVac lub raczej 2 x 25 KV. W czasie elektryfikacji ruch będzie dalej obsługiwany lokomotywami Diesla i utrudnienia będą znośne. ZSRR ( większa szerokość toru ) eksportuje lokomotywy elektryczne systemu 25 KVac z europejską szerokością toru. Mają one silniki DC zasilane z mostków diodowo - tyrystorowych sterowanych fazowo co jest od dawna standardem. Lokomotywy te cechuje za niski współczynnik mocy (w rozumieniu dla prądu zniekształconego ) i to jest do poprawienia. Nie wiadomo czy lokomotywy można nabyć za ruble transferowe które mamy czy wymagane są dolary jak za ropę naftową. Po podejrzeniu i przetestowaniu rozwiązań bez trudu uruchomimy produkcje znacznie lepszych lokomotyw.
Alternatywnie w trakcje 25 KVac można wyposażyć nowo budowaną szybką linie kolejową.
Kraje opóźnione w rozwoju czerpią korzyść z zapóźnienia, kopiując cudze udane rozwiązania. Ale nie zawsze jest to możliwe. Europejskie kraje z trakcją 3 KV nie bardzo wiedzą co z tym fantem zrobić.
Wszystkie ( DC o różnych napięciach, 25KV-50 Hz i 15KV 16 2/3 Hz ) podstacje trakcyjne negatywnie oddziaływają na sieć energetyczną !
Podstacje trakcyjne 3300 Vdc negatywnie oddziaływują na sieć energetyczną WN 110 KV lub SN 15 KV wprowadzając do niej harmoniczne pobieranych prądów zniekształcające napięcie. W symetrycznym prostowniku przy stałym prądzie obciążenia ( Za prostownikiem jest wygładzający dławik i dalej równolegle szeregowe dwójniki LC nastrojone na harmoniczne. Ważone psofometrycznie pulsacje napiecia DC nie powinny przekroczyć 0.5% nominalnego napięcia czyli 15V ) pulsacje napięcia DC (przed dławikiem ) i harmoniczne prądów AC to dwie strony tego samego modelu zjawiska pulsacji mocy. Im większa jest pulsowość m prostownika tym mniejsze pulsacje napięcia DC i pulsacje mocy prądu stałego i jednocześnie mniejsze harmoniczne prądu zmiennego AC odpowiedzialne za niestałą moc prądu zmiennego. W prostowniku dwunastopulsowym o m=12 szeregowo połączone są dwa prostownicze mostki trójfazowe z których jeden jest zasilony z uzwojenia transformatora połączonego w gwiazdę a drugi w trójkąt – dla uzyskania przesunięcia fazy o 30 deg. Dla m=18 ( trzy uzwojenia transformatora i trzy mostki na trzykrotnie mniejsze napięcie ) harmoniczne wprowadzone do sieci energetycznej są pomijalne. Zbędny jest Dławik wygładzający DC i Filtry LC harmonicznych wyprostowanego napięcia. Konstrukcja transformatora jest jednak trudniejsza. Obecność za prostownikiem dławika wygładzającego podnosi impedancje wyjściową i powoduje że szybkie obciążeniowe zmiany napięcia w trakcji przekraczają 1000 V !
N.B O ile widziana jest szkodliwość harmonicznych w napięciu trakcji 3 KVdc zakłócających kolejową telefonie to zupełnie lekceważone są zakłócenia harmoniczne propagowane przez linie SN a nawet WN !
Łatwa jest ochrona piorunowa poszczególnych 3 szeregowych mostków prostowniczych Warystorami. Bez szeregowego łączenia diod zbędne są ich gasiki RC. Podstacja zdalnie monitorowana może się mieścić w 40 stopowym kontenerze z zewnętrznym odłącznikiem SN i uziemnikiem! Podstacja może mieć funkcjonalności do połowicznej redundancji.
Dla m=12 dwa uzwojenia transformatora mają jałowe napięcia 1230 Vac i można użyć typowego – masowego produkowanego wyłącznika CB na prąd zmienny.
W przypadku m=18 i trzech mostków z napięciami 3x820Vac przy awarii jednego mostka odciętego przez CB, trakcja ma obniżone napięcie ale pociąg na zasilanym odcinku może jednak dalej jechać !
Podstacja do trakcji 3 KVdc zasilana linią SN 15KV jest tańsza niż pracująca z linią WN 110 KV ale jej moc jest ograniczona głównie impedancją linii 15 KV (spadki napięcie i ich zniekształcenie harmonicznymi ) szczególnie gdy GPZ jest odległy. Większe są też straty energii przy podwójnej transformacji. O ile zwiększenie średnicy przewodów linii SN zwiększa jej obciążalność prądową o tyle indukcyjna impedancja linii maleje niewiele. Rozwiązanie tego problemu przedstawiono dalej. Ograniczenie to jest mniejsze przy stosowaniu linii kablowej ! Średnie Napięcie 20 KV jest tu jeszcze korzystniejsze ! Impedancja linii kablowej 20 kV nie jest już w ogóle czynnikiem ograniczającym moc podstacji 3 KVdc. Średnie Napięcie 20 KV jest popularne w Europie Zachodniej a przy dalszym wzroście produkcji energii elektrycznej w Polsce SN 20 KV będzie wieloaspektowo korzystniejsze niż obecnie dominujące SN 15 KV. Ale nawet przy zasilaniu podstacji trakcyjnej linią powietrzną 20 KV moc ( limitowana impedancją a nie cieplnie ) tej linii jest o prawie 78% większa.
Podstacje zasilane linią WN nie mogą być gęsto rozmieszczone na linii kolejowej z uwagi na zajętość terenu i koszty ale zminiaturyzowane kontenerowe podstacje zasilane Średnim Napięciem 20 kV mogą być gęsto rozmieszczone na częściowe podobieństwo transformatorów 15/20 kV – nN na słupach SN i w budynkach!
Próżniowe wyłączniki SN są coraz mniejsze i tańsze. Dobrze rokują też wyłączniki z SF6. „Miniaturyzacja” podstacji jest wykonalna z użyciem nowoczesnych podzespołów.
Podstacje trakcyjne 27.5 / 2x 27.5 KVac negatywnie oddziaływają na sieć energetyczną WN /NN wprowadzając do niej asymetrie, moc bierną i harmoniczne prądów w dodatku dużej mocy. Bez symetryzacji muszą być z tego względu zasilane z linii przesyłowej 220 KV lub lepiej 400 KV o dużej mocy zwarciowej co bywa kosztowne szczególnie gdy trzeba dobudować długą linie do podstacji ! Wyjątkowo można użyć linii 110 KV ale z nietypowym kosztownym systemem symetryzującym pobór mocy z faz. Jednofazowy pobór mocy ( z dwóch faz sieci trójfazowej ) wprowadza asymetrie napięć dającą w rozkładzie na składowe symetryczne składową przeciwną generującą w silnikach prądu zmiennego AC moment przeciwny momentowi napędowemu i pulsacje momentu. Normy wymagają aby składowa symetryczna - przeciwna napięcia U2 w sieci NN nie przekraczała 1 % a chwilowo-awaryjnie 3%.
Temat zmniejszania ( w tym energoelektroniką ) uciążliwej asymetrii i harmonicznych prądów jest dopiero badany i powoli wdrażany. Na uproszczonym rysunku z transformatorami trójfazowymi nie pokazano systemu przewodu powrotnego.
W pokazanym układzie (nie pokazano odcinkowych transformatorów Booster) zastosowano transformatory trójfazowe.
Energetyczny układ trójfazowy napięć można zamienić na kwadraturę napięć Sin – Cos transformatorami w układzie Scotta, LeBlanc, 2V lub HighLegDelta czy innym. Zastosowanie takiej kwadratury napięć do zasilania trakcji trochę zmniejsza problem z asymetrią ale potrzebne są nietypowej konstrukcji transformatory. Zastosowanie transformatorów kwadraturowych jest całościowo bardziej opłacalne niż trójfazowych.
Trakcja 25 KV może być zasilana poprzez kondensator kompensacji szeregowej mocy biernej ale konieczny jest układ do zwalczania ferrorezonansu z transformatorami lokomotyw i zmniejszający prądy zwarć w trakcji.
Kompensacja szeregowa nie załatwia sprawy zakłócających harmonicznych. Szeregowy z kondensatorem kompensacji równoległej mocy biernej dławik dający rezonans przy 3 harmonicznej na częstotliwości 150 Hz mocno obniża 3 harmoniczną ale też redukuje wyższe harmoniczne a szczególnie piątą.
Jeszcze trudniejszy jest problem podstacji 15 KV 16 2/3 Hz. Stosowane w Szwecji tyrystorowe cyklokonwertery trzykrotnie obniżające częstotliwość sieciową 50 Hz okazują się mieć bardzo poważne wady. Obciążają sieć energetyczną nie tylko harmonicznymi ale i co gorsza podharmonicznymi ! Nic nie wskazuje na to aby ten system się rozpowszechnił – w przeciwieństwie do systemu „25 KV” a raczej jego wersji 2 x 25 KV.
Rozwiązania stosowane w polskich lokomotywach elektrycznych pochodzą z licencyjnej (English Electric ) lokomotywy nazwanej w Polsce EU06. Pochodzą one z początka lat pięćdziesiątych.
W lokomotywach elektrycznych zasilanych z trakcji DC tradycyjnie stosowane są silniki szeregowe prądu stałego a w nowszych z tyrystorowymi chopperami ze wzbudzeniem kombinowanym. Dla redukcji strat mocy w procesie rozpędzania pociągu silniki napędowe są łączone szeregowo i początkowo dodane są szeregowe oporniki rozruchowe. Przy wyższych prędkościach jazdy stosowane jest odwzbudzanie. Przy hamowaniu silnikiem moc wydziela się w rezystorach hamowania. Podobnie mechaniczne hamowanie jest też w 100% stratne w dodatku zużywając klocki hamulcowe i koła.
Ponieważ przy zbyt szybkim ruszaniu składu istnieje niebezpieczeństwo zerwanie sprzęgów wagonów z luzami, początkowo ruszania nie może być zbyt intensywne. Niestety daje to duże straty energii w opornikach rozruchowych przy powolnym ruszaniu.
Tyrystorowe układy regulacji napięcia z modulacją PWM czyli Choppery dla kolejowych silników trakcyjnych DC zastosowano niedawno m.in. w lokomotywach włoskich . Czas wyłączania Tq tyrystorów szybko rośnie z ich nominalnym napięciem i stąd potrzeba szeregowego łączenia tyrystorów. Powolne są też diody HV jako klucze. Wszystko to powoduje że moce rezystorów snubberów - gasików RC są zakresie wielo kilowatowym ! Dla zmniejszenia pulsacji prądu pobieranego / (zwracanego) do trakcji konieczny jest wejściowy potężny kłopotliwy filtr LC. Zasilanie z trakcji podaje się wpierw przez rezystor ładujący aby uniknąć rezonansowych przepięć od filtra LC. Aby zmniejszyć wymagania dla filtru LC stosuje się pracę systemów chopperów silników poszczególnych wózków z przesunięciem fazy.
Na schemacie pokazano układ tyrystorowy z dodatkowym hamowaniem odzyskowym. Kondensator komutacyjny C jest wspólny dla obu chopperów. Jest to możliwe bo stosowane jest przesunięcie fazy. Nie pokazano na schemacie dwójników - gasików RC z dużymi rezystorami mocy przy każdym tyrystorze !
W lokomotywach systemów 15 KV 16 2/3 Hz i „25KVac” tradycyjnie stosowane są silniki trakcyjne takie jak w trakcji DC lub te same silniki.
Dopiero w nowszych rozwiązaniach ( jedyna w świecie Szwajcarsko Niemiecka BBC od 1979) stosowane są silniki asynchroniczne zasilane przez invertery z tyrystorami. Zastosowano tam bardzo wysokiej jakości szybkie tyrystory i diody.
Literatura nie omawia użytego tam sposobu przekształcenia jednofazowego napięcia trakcji na napięcie stałe zasilające inverter VSI a jest to sprawa kluczowa. Być może sterowany PWM drugi inverter jest od strony napięcia sieciowego prostownikiem / falownikiem. Koszt takiego rozwiązania jest duży ale możliwy jest zwrot energii hamowania do sieci.
Natomiast w lokomotywach z silnikami DC napięcie z odczepów uzwojeń wtórnych obniżającego transformatora trakcyjnego SN podawane było tanimi kontaktorami AC lub wyłącznikami CB ( a nie drogimi wyłącznikami DC ) do prostowników diodowych i silników. Nie ma tuż żadnych mocnych rezystorów w gasikach. Wadą są oczywiście zniekształcenia prądu pobieranego z trakcji. Układy tego rodzaju są tanie i niezawodne z połowiczną redundancją umożliwiająca co prawda nieoptymalną ale jednak dalsza jazdę po awarii ! Za prostownikiem jest dławik korzystnie zmniejszający pulsacje prądu zasilającego silniki trakcyjne.
Pierwszą w świecie lokomotywę do trakcji AC ze sterowaniem fazowym tyrystorów i obcowzbudnymi silnikami DC wypuściła szwedzka ASEA w 1970 roku. Mankamentem tych rozwiązań jest mały współczynnik mocy i zniekształcony prąd pobierany z sieci.
N.B. Niewielka ludnościowo Szwecja jest bardzo silna technologicznie. Ma wiele „koncernów światowych”. ASEA jako pierwsza w świecie w 1974 roku wypuściła robota z napędem elektrycznym. Zastosowane rozwiązania stały się inspiracją dla koncernów Japonii.
Aby ograniczyć wielkość pobieranej mocy biernej i generowanych harmonicznych przez sterowane fazowo tyrystorowo-diodowe prostowniki łączy się szeregowo półsterowane ( lepszy współczynnik mocy ) 2T+2D mostki najczęściej w dwie lub trzy szeregowe grupy. Napięcia na dwóch lub trzech uzwojeniach transformatora z reguły są takie same ale korzystniejszy (wymagane dla optymalizacji są histogramy pracy lokomotyw ) może być inny podział napięć.
Przy ruszaniu silniki są wzbudzone w pełni lub nawet na 120% (osobny tyrystorowy przekształtnik mniejszej mocy) co daje prace z większym zasilającym napięciem DC czyli mniejszymi harmonicznymi pobieranego prądu sieciowego.
Nie jest znana lokomotywa 25 KVac lub 15 KVac 16 2/3 Hz z hamowaniem odzyskowym z tyrystorami sterowanymi fazowo. Powodem tego jest niebezpieczne zjawisko przewrotu invertera pracującego jako falownik i bardzo mały współczynnik mocy (według właściwej definicji dodatkowo zniekształconego prądu ) obciążający transformator, trakcje i sieć energetyczną harmonicznymi.
Potencjalnie dla hamowania odzyskowego uzwojenia wzbudzenia silników muszą być zasilane z osobnego przekształtnika mniejszej mocy i przy hamowaniu zmieniana jest biegunowość napięcia wzbudzenia. Stosowane muszą być pełnosterowane mostki 4T.
Zmiana biegunowości wzbudzenia pozwala też zmienić kierunek jazdy.
Dla uzyskania dużej prędkości przy podaniu do silnika pełnego napięcia ( maksymalnie wysterowane dwa-trzy mostki ) obniża się prąd wzbudzenia. Oczywiście taka szybka jazda z odwzbudzeniem i zmniejszonym momentem napędowym, ale z pełną mocą, jest możliwa tylko po płaskim lub opadającym terenie - torowisku.
Pełne napięcie na połączonych szeregowo silnikach może tu wygodnie wynosić 3000 Vdc czyli na bazie lokomotywy do trakcji 3000 Vdc można zbudować lokomotywę do trakcji 25 KVac.
W ZSRR cześć podstacji systemu trakcji 3 KVdc miała zdolność rekuperacji energii z hamowania lokomotyw z hamowaniem odzyskowym. Podstacje takie są znacznie droższe. Realnie system nie działał dlatego że napięcie na hamującej lokomotywie przekraczało 4200 V i było niebezpieczne także dla innych pociągów a tyrystorowe falowniki w podstacjach nękane były przewrotem ( temat przewrotu omówiono w innym miejscu ) prowadzącym faktycznie do zwarcia czyli awarii.
Przy zdalnym komputerowym sterowaniu podstacji i lokomotyw można stworzyć warunki do umiarkowanego przepływu energii z hamującego pociągu do pozostałych napędzanych pociągów bez rekuperacji w podstacjach.
W tym celu należy obniżyć napięcie dostarczane przez podstacje tak aby realnie nie dostarczały energii „czyniąc miejsce” na energie z hamowania pociągu. Algorytm predykcyjny może zastosować cały scenariusz sterowania. Minutę czy kilka minut przed planowanym hamowaniem pociągu może pozostałym pociągom zabronić poboru energii i nakazać pobór w czasie hamowania aby odzyskały prędkość !
Podstacje systemów trakcji 15 KVac i „25 KVac” bez żadnych modyfikacji umożliwiają zwrot energii z hamowania pociągów do sieci.
Zużycie energii przez pociąg zależy od talentu maszynisty. W szczególności przed hamowaniem pociąg powinien wytracić energie kinetyczną powoli zwalniając bez napędu i hamowania. Różnice w zużyciu energii na tej samej trasie między maszynistami dochodzą do 15% !
W samochodach ciężarowych i autobusach stosowane są w celu skutecznego dyscyplinowania kierowców tachografy. Maszyniści powinni być rozliczani z zużycia energii na trasie. Powinni jednak otrzymać rekomendacje co do profilu przyśpieszania, prędkości i wybiegu na trasie aby zadanie było łatwe do wykonania.
Scalone modemy są coraz tańsze. Prosty Mikrokomputer na pokładzie lokomotywy może via radiotelefon z modemem odbierać informacje / rozkazy od komputera Predykcyjnie sterującego ruchem na określonym obszarze. Przy sterowaniu predykcyjnym pociąg jedzie z odpowiednią prędkością aby wjechać bez hamowania i oczekiwania na zwolniony odcinek. Ponieważ sytuacja zmienia się dynamicznie oczywiście zdarzą się przypadki hamowania i oczekiwania na zwolninie szlaku ale będą rzadkością. Pociąg będzie prowadzony lepiej niż Autopilotem ale maszynista w każdym momencie może przejąć sterowanie. Oczywiście system musi mieć funkcjonalność Dead Hand aby maszynista cały czas czuwał. Mikrokomputery cały czas tanieją i już obecnie są śmiesznie tanie przy systemach energetyki i energoelektroniki.
Mikrokomputery lokomotyw z łącznością komputerową z odpowiednim systemem regionalnym mogą też radykalnie zmniejszyć ilość wypadków jak zderzenia pociągów czy kolizje na przejazdach.
N.B. W szybkich pociągach maszyniści zapewniają tylko bezpieczeństwo bowiem pociąg jest zdalnie sterowany. Pociąg na stacji może ruszyć tylko gdy strażnik - promień lasera przy pociągu na długości peronu nie jest przerwany.
Szerokokadłubowy samolot pasażerski Lockheed Tristar L-1011 z 1971 (!) roku sam leciał, podchodził do lądowania i lądował ! Samolot automatycznie lądował w złych warunkach pogodowych lepiej niż piloci. Oczywiście piloci zawsze mogli przejąć sterowanie. Wszystkie systemy były redundantne. Komputery "Stability Augmentation System" nie pozwalały na przekraczania dopuszczalnych parametrów aerodynamicznych. Wyłączyć go mogli tylko wspólnie piloci. To że samolot na instrumentach przy bardzo złej pogodzie lepiej lądował niż pilot stało się w końcu przyczyną wypadku gdy bezwzględnie należało lecieć na lotnisko zapasowe gdyż próba lądowania w ciężkiej burzy była jawnym samobójstwem.
Patent 130. Podstacja kolejowej trakcji 3 KVdc zasilana z SN
A.Podstacje trakcji 3 KVdc rozmieszczone są w odległości 10-25 km. Dostarczane przez nie nominalne napięcie powinno wynosić 3300 V. Wartości tych napięć oraz jego sztywność mają wpływ na rozkład obciążeń na podstacje i straty mocy w sieci oraz spadki napięć w miejscu odbioru przez lokomotywy.
Transformator podstacji ma odczepy na sieciowym uzwojeniu SN i są one dobierane w fazie prób eksploatacyjnych podstacji. Transformatory nie mają regulacji napięcia pod obciążeniem. Zmianie ulegają napięcia w sieci WN i SN a sieć SN ma określoną impedancje a transformator indukcyjność rozproszenia. Czasem potrzebna jest poprawa sytuacji.
Radykalną poprawę może dać wielokryterialna, „inteligentna” (także na wypadek awarii sąsiednich podstacji ) regulacja napięcia wyjściowego podstacji. W proponowanym rozwiązaniu transformator ma tradycyjnie dwa główne uzwojenia wtórne d+y zasilające trójfazowe mostki prostownicze dające pulsowość m=12 oraz dodatkowe uzwojenia circa „5-10%” ( ca 120-240Vac ) o optymalnym przesunięciu fazy zasilające trzeci mostek 3T + 3D z dodatkową równoległą diodą redukującą straty ma wyjściu przy braku aktywności mostka. Tyrystory tego mostka mogą być sterowane fazowo co jednak daje tylko trochę ( z uwagi na małe napięcie ) wyższych harmonicznych po stronach AC i DC lub sterowany tylko binarnie On-Off.
Awaria tego systemu tylko pogarsza właściwości podstacji ale ona nadal pracuje.
Zamiast trzeciego uzwojenia transformatora może być dany osobny mniejszej mocy transformator SN. Jednak typowe, produkowane masowo transformatory SN-nN mają raczej za duże napięcia nN=380V (=515 Vdc) dla typowych okoliczności trakcji. Trywialna zmiana konfiguracji uzwojenia nN z y na d obniża napięcie 1.73.. raza do 220 Vac !
Zwiększone są odrobinę straty jałowe w dwóch transformatorach ale mały transformator może mieć dwa uzwojenia wtórne i jest zasilanie 220/380 Vac dla podstacji.
B.Gdy zasilająca podstacje linia SN zasila też innych wrażliwych odbiorców zniekształcenia napięcia powodowane przez prostownik o pulsowości m=12 mogą być za duże i rozwiązaniem jest prostownik o m=18. Przy pulsowości m=18 zbędny jest wygładzający dławik DC i filtr quasi eliptyczny (równoległe szeregowe pułapki LC na harmoniczne ) nastrojony na odpowiednie harmoniczne częstotliwości sieciowej. System jest prosty i może być bardzo zwarty. Dodatkową zaletą są mniejsze szybkie, dynamiczne spadki napięcia w trakcji. W systemie z dławikiem dynamiczne spadki napięć przekraczają 1000 V. Ceną za zalety jest bardziej skomplikowana konstrukcja transformatora z trzema uzwojeniami wtórnymi.
W prostowniku o m=18 już obecnie zbędne jest szeregowe łączenie diod przy zastosowaniu „odgromnika zaworowego” skutecznie ograniczającego przepięcia.
C.Zasilana napięciem SN bezobsługowa podstacja trakcyjna może się mieścić w „kontenerze” 40 stopowym. Na zewnątrz może być tylko odłącznik SN.
Liczne (w Polsce ca 180 tysięcy ) elektroenergetyczne stacje SN/nN (w Wielkiej Brytanii o mocy do 2 MVA ale w Europie do 1 MVA ) są bezobsługowe i nie ma powodu aby podstacja trakcyjna była obsługowa. Prosty sterujący system mikrokomputerowy może też przesyłać monitorowane dane i wykonywać zdalne polecenia.
Obecnie trójfazowe mostki z silnych dyskowych diod chłodzonych wodą są bardzo małe a pompa zdemineralizowanej wody chłodzącej tłoczonej teflonowymi rurkami do chłodnicy jest niezawodna i ma małą moc. Ale radiatory powietrzne też są skuteczne ale większe.
Prostownik przestarzałej podstacji ma aż 720 diod 200A/800V ! To obecnie graniczy ze śmiesznością.
D.Zaletą kompensacji szeregowej mocy biernej jest jej automatyczność. Po prostu zmniejszana jest indukcyjna impedancja sieci, rozproszenia transformatora i odbiorników. Ogromną wadą kompensacji szeregowej są niebezpieczne ferrorezonanse. Temat omówiono osobno.
E.Efektywnym elementem w kontroli podziału napięć i awaryjnej ochronie nadnapięciowej mostków diodowych, tyrystorowych i mieszanych są Warystory „ZnO” i wyzwalane stabilne iskrowniki w obudowach ceramicznych.
W sytuacjach awaryjnych – zakłóceniowych diody prostownicze zachowujące się jak diody Zenera notują bardzo wysoką przeżywalność. Przy technologi wysokiej jakości lub po dodatkowych zabiegach technologicznych dioda mocy może w kierunku zaporowym mieć własności diody Zenera. Koncerny Philips i Motorola oferują diody o własności Avalanche czyli lawinowej. Oba te koncerny nie produkuje jednak potężnych diod i tyrystorów mocy w odróżnieniu od części bardziej uniwersalnych koncernów Japonii. Testowanie diod mocy na wielkość tolerowanej energii w kierunku wstecznym jest bardzo trudne.
Diody mocy Philipsa są na Iav tylko do 140 A. Seria diod BYX56 ma Iav=48A i nominalne napięcia 600-1400 V. Tolerują one niepowtarzalny impuls wsteczny o czasie 10 us i aż mocy 40 KW. Impuls powtarzalny o czasie 10 us ma moc do 6.5 KW. Energia impulsu rośnie z jego czasem. Diody normalnie pracują lawinowo tylko w sytuacji awaryjnej. Większość z nich w całym okresie życia wyrobu nie dozna stresu Avalanche. Im większe jest nominalne napięcie w tej serii diod tym mniejszy jest rozrzut napięcia Avalanche mierzonego tu przy prądzie 5 mA. Dla diody 1400 V wynosi ono jednak 1650-2400 V. Przy dużym prądzie impulsowym dającym moc 40 kW napięcie jest około 15% większe. Różnica w cenie miedzy diodą o gwarantowanej własności lawinowej a diodą nie selekcjonowaną lub wykonaną marną technologią wynosi obecnie około 25% i maleje. Przy szeregowym łączeniu diod Avalanche zbędne są jakiekolwiek środki wyrównawcze i to nawet dla diod szybkich. W tym wypadku przy wymuszonym wyłączeniu diody szybszej będą większe w niej straty dynamiczne czyli wzrośnie jest temperatura. Ale Trr i Qrr szybko rosną z temperaturą co daje silne ujemne równoważące podział napięć sprzężenie zwrotne. Niemniej racjonalne jest wtórne po-selekcjonowanie diod pod kątem napięcia Avalanche. Przy zamówieniu przemysłowym wielkiej serii dokładną selekcje wykona producent mikroelektroniki.
Dyskowe warystory „ZnO” są produkowane masowo czyli są tanie. Na napięcia nN standardowy jednorazowy impuls 8/20 us dla warystora 14 mm ma prąd 4.5 kA a 20 mm tylko 6.5 kA co jest trochę dziwne bowiem dla większego powinien być dużo większy. Ale kwadratowy warystor 25x25 toleruje prąd impulsu 20 kA. Takie warystory są już przydatne w konstrukcji podstacji.
Wykładnik funkcji potęgowej aproksymującej prąd Warystora ZnO dochodzi do 37 i jest on silnie nieliniowy. W energetyce Zachodu warystory ZnO SN, WN i NN są już szeroko stosowane. Wzrost ich produkcji jest dynamiczny. Wyglądają one prawie jak zwykły izolator.
Stosowane w USA już przed wojną energetyczne warystory SiC miały wykładnik tylko około 5 i stosowano je w układzie „odgromnika zaworowego”. Szeregowo z Warystorem dawano iskrownik działający w momencie uderzenia pioruna. Bez przepięcia prąd płynący przez Warystor był zbyt mały do podtrzymania wyładowania w iskrowniku.
Dla wysokiej trwałości moc tracona w warystorze ZnO ma być mała. Chcąc uzyskać bardzo dobrą ochronę przepięciowa podstacji z energetycznym warystorem ZnO dajemy w „odgromniku zaworowym” w szereg wyzwalany iskrownik (Spark Gap ) lub wysokonapięciowy tyrystor. Układ wyzwalania tyrystora jest bardzo prosty a tyrystor tolerujący wyzwalanie lawinowe nie potrzebuje żadnego układu. Tyrystor ten nie wymaga chłodzenia. Po jego uszkodzeniu - przebiciu moc tracona w warystorze ograniczy ich żywotność do kilku lat ale prosty układ monitoringu od razu podniesie Alarm i można wykonać naprawę w dogodnym czasie.
F.Masowo produkowane próżniowe i z SF6 CB SN i zwykłe CB na nN są coraz mniejsze a cena ich jest korzystna. Użycie standardowych elementów jest zawsze korzystne.
G.W przypadku awarii prostownika (przebicie diod) z trzema szeregowymi mostkami o m=18 przy uszkodzeniu jednego z mostków jego zasilający CB zostaje wyłączony i na wyjściu jest napięcie tylko 2/3 nominalnego co jednak pozwala awaryjnie utrzymać wolniejszy ruch na szlaku.
H.Tam gdzie koszt awarii jest bardzo wysoki ( samoloty, statki, satelity..) stosuje się systemy redundantne lub połowicznie ( praca z obniżonymi parametrami ale z grubsza zachowana funkcjonalność) redundantne. Po stwierdzeniu awarii automatycznie lub ręcznie zmieniana jest konfiguracja pracy systemu. Oczywiście awaria powinna być jak najszybciej usunięta bowiem bez naprawy kolejna awaria już obezwładni system. Niezawodność systemów redundantnych może być bardzo wysoka.
Prosty system z mikrokontrolerem w podstacji może łączem regionalnemu komputerowi podawać napięcie i pobierany prąd przez trakcje. W razie awarii podstacji sterujący regionalnym systemem komputer może na przykład kazać powiększyć podawane napięcie sąsiednim podstacjom a pociągom zredukować trochę pobór mocy.
Czasem mimo zmniejszonej prędkości można rozkład ruchu nadgonić skracając czas postoju na stacjach.
Patent 131. System nowoczesnej lokomotywy „25 KVac” z silnikami DC o mało zniekształconym prądzie i dużym współczynniku mocy pobieranej z trakcji
Poważną wadą wszystkich systemów tyrystorowego sterowania fazowego jest silnie zniekształcony prąd pobierany z sieci czyli tu z trakcji.
Jednofazowy w pełni sterowany mostek złożony z 4 tyrystorów z obciążeniem indukcyjnym pracujący z „siecią” (zawsze jest transformator lub dławik komutacyjny ) o zerowej indukcyjności Ls=0 może być sterowany w granicach 0-180 deg. W zakresie kątów sterowania 0-90 deg przekształtnik jest prostownikiem a w zakresie 90-180 deg jest falownikiem. Przy nieskończonej indukcyjności wyjściowego dławika prąd sieciowy jest prostokątny i taki sam co do wartości skutecznej RMS jak prąd wyjściowy.
W szczególności z kątem wyzwalania 90 deg napięcie wyjściowe Udc=0 i do wyjścia nie płynie moc a płynie prąd sieciowy ! Współczynnik mocy wynosi Zero.
Półsterowany mostek 2T+2D ( może być 2T+ ciągle wysterowane 2T w tym modzie pracy !) w pełnym zakresie kątów 0-180 deg jest prostownikiem. W prostowniku nie może wystąpić niebezpieczny przewrót jak w falowniku. Jego zaletami na tle pełnego mostka tyrystorowego jest to że:
A.Prąd sieciowy płynie tylko gdy przewodzi tyrystor i nie płynie gdy przewodzą diody czyli mniejsza jest wartość skuteczna prądu sieciowego
B.Znacznie mniejsze są pulsacje napięcia wyjściowego i przy takich samych pulsacjach prądu wymagany jest znacznie mniejszy dławik wyjściowy DC a jest on ciężki i drogi.
Wadą (?) jest brak pracy falownikowej.
Indukcyjność „sieci” Ls powoduje płynne przejęcie przez wyzwolony tyrystor prądu (komutacja) od wyłączanego tyrystora. Rośnie oporność wyjściowa przekształtnika czyli spada maksymalne wyprostowane napięcie z obciążeniem i coraz węższy jest obszar pracy falownikowej. Są to wady.
Zaletą obecności Ls jest zmniejszenie wartości skutecznej prądu sieciowego i udziału harmonicznych a szczególnie przy małych napięciach wyjściowych.
Typowo dla dalszego obniżenia wartości skutecznej prądu sieciowego i harmonicznych w lokomotywach stosowane jest szeregowe połączenie dwóch mostków 2T+2D. Zasilające mostki uzwojenia transformatora ( pierwsze i drugie ) mają typowo identyczne napięcie. Wraz z rosnącą prędkością coraz mocniej wysterowany jest pierwszy (umownie T1,T2 ) mostek a w drugim (T3,T4 ) niesterowanym na razie mostku przewodzą obie diody. Gdy kąt sterowania pierwszego mostka wynosi Zero czyli jest on maksymalnie wysterowany zaczyna być sterowany drugi mostek. Sterowanie jest płynne bez nieciągłości.
Zastosowanie trzech mostków pozwoliłoby na dalsze zmniejszenie prądu sieciowego ale komplikuje się konstrukcja transformatora a moc tyrystorów rośnie do pewnego rosnącego napięcia nieliniowo wraz ze średnicą chipa tyrystora i tu przy Fi chipa >33 mm korzystne są większe napięcia.
Z pominięciem tyrystorów T5 i T6 oraz odczepu na pierwszym uzwojeniu wtórnym i dalszego dławika prądu zmiennego AC Ls w pokazanym nowatorskim rozwiązaniu układ jest jak powszechnie dotąd stosowane.
Przy małym napięciu wyjściowym DC czyli małych prędkościach jazdy wyzwalane są tylko tyrystory T5 i T6. Mostek z T5 i T6 zasilany jest z odczepu tylko połową napięcia uzwojenia a prąd płynie szerokimi impulsami ( mały udział harmonicznych ) przez relatywnie dużą indukcyjność Ls. Gdy kąt sterowania tyrystorów T5 i T6 dojdzie do maksymalnego sterowane są dalej T1 i T2 a dalej jeszcze T3 i T4 jak w zwykłym rozwiązaniu.
W rezultacie przy małych napięciach DC – prędkościach jazdy prąd i udział harmonicznych w prądzie sieciowym jest drastycznie zmniejszony. System pracuje tak jakby były trzy szeregowe mostki 2T+2D i dodatkowo Ls filtruje wyższe harmoniczne przy małych napięciach wyjściowych
Indukcyjność Ls może być zintegrowana z transformatorem co pokazano na rysunku.
Do pierwszego uzwojenia transformatora zasilającego mostek T1, T2 (T5, T6 ) dołączono na stałe szeregowy obwód LC o częstotliwości rezonansowej równej 3 harmonicznej czyli 150 Hz. Jego zadaniem jest mocne obniżenie poziomu emisji dominującego w zniekształceniach prądu 3 harmonicznej i kolejnych harmonicznych i kompensacja mocy biernej na częstotliwości podstawowej. Niewielka generacja mocy biernej przez Ls jest tu zatem pozytywem !
Do drugiego uzwojenia transformatora zasilającego mostek T3, T4 dołączono łącznikiem według potrzeb (Algorytm może być prosty ale też wielokryterialny. Gdy napięcie trakcji jest za duże kompensacja jest wyłączona. Mikrokomputer sterujący lokomotywy łączem radiowym może dostawać optymalizujące system rozkazy od regionalnego komputera. Gdy w regionie mocy biernej jest za dużo kompensujący moc bierną (L)C nie jest załączany i odwrotnie. Sam system lokomotywy nie ma „świadomości sytuacyjnej” systemu. ) szeregowy obwód LC o częstotliwości rezonansowej równej 3 harmonicznej czyli 150 Hz. Jego zadaniem jest identycznie mocne obniżenie poziomu emisji prądu 3 harmonicznej i kolejnych harmonicznych i kompensacja mocy biernej na częstotliwości podstawowej.
Łącznikiem jest tu antyrównoległa para tyrystorów załączanych w Zerze napięcia na łączniku. Dodatkowy CB (nie jest konieczny) zwierający tą parę eliminuje stratę mocy a jego operacyjna trwałość może być ogromna bo przełącza on bezprądowo. Przy celnej predykcji momentów operacji CB można stosować tylko jeden tyrystor równoległy do CB ! CB efektywnie załącza i rozłącza gdy przewodzi Ty.
W momencie wyłączenia się łącznika tyrystorowego skutkiem zniekształconego prądu napięcie na kondensatorze może być wyższe niż szczytowe w obwodzie. Łącznik w Zerze powtórnie na rozkaz załączy więc „C” po częściowym rozładowaniu kondensatora rezystorem, który jednak kondensator rozładowuje powoli z uwagi na straty mocy.
Szybkie rozładowanie kondensatora (zawsze szybka dyspozycyjność operacyjność ) następuje przez niewielką równoległą nasycaną w procesie rozładowania indukcyjność z rdzeniem. W stanie ustalonym dławik oczywiście nie jest nasycony. Tak wysoka dyspozycyjność nie zawsze jest jednak potrzebna a w lokomotywie zmiana mocy musi być płynna i dość powolna.
Patent 132. System równoważenia obciążenia faz układu trójfazowego przy obciążeniu asymetrycznym lub jednofazowym.
Przy trójfazowym symetrycznym obciążeniu symetrycznej sieci płynąca moc jest stała w czasie. Niesymetryczny prąd obciążenia można rozłożyć ( składowe symetryczne ) na składowa Zgodną I1 i Przeciwną I2 (Negative Sequence). I2 wywołuje na impedancji sieci szkodliwą składową Przeciwną U2 napięcia. Płynąca moc ma wtedy pulsacje. Silnik asynchroniczny lub synchroniczny zasilany napięciem asymetrycznym ma gorszą sprawność bowiem składowa przeciwna wywołuje moment hamujący i ma pulsacje momentu obrotowego.
Silniki asynchroniczne konsumują w Polsce około 70% energii elektrycznej i stąd skutki ekonomiczne asymetrii trójfazowego napięcia sieciowego są poważne. Impedancja przeciwna może być mniejsza od zgodnej i relatywnie prąd sekwencji przeciwnej zostanie wzmocniony.
Asymetria wywołuje nagrzewanie klatki tłumiącej w rotorze generatora synchronicznego.
„Szkoda” wywoływana asymetrią napięcia trójfazowego rośnie szybciej niż liniowo ze względnym U2.
Przy tej samej mocy S obciążenie niesymetryczne powiększa straty mocy w silnikach, sieci, transformatorach i generatorach.
Filtry składowych symetrycznych są bardzo proste. Filtry składowej przeciwnej napięcia i prądu są przedmiotem zadań (z rozwiązaniem ) 2.150 i 2.152 w „Zbiór zadań z elektrotechniki teoretycznej”, K.Mikołajuk, Z.Trzaska, PWN, 1976. Filtry takie zaprojektowane do konkretnej częstotliwości sieciowej 50 Hz wprowadzają błędy przy odchyleniu częstotliwości od 50 Hz. W normalnie działającym systemie energetycznym odchyłka częstotliwości od nominalnej 50 Hz jest znikoma i pojawia się tylko w sytuacji awaryjnej. Kosztem niewielkiej komplikacji można zmniejszyć wrażliwość filtru na odchyłkę częstotliwości od nominalnej.
Sygnał wyjściowy z takiego filtru składowych symetrycznych zawiera harmoniczne obecne w zniekształconym prądzie i napięciu sieciowym. Fałszują one pomiar podstawowej składowej przeciwnej i należy je czasem usunąć co jest proste.
W kilku skontrolowanych miejscach z siecią trójfazową małej mocy składowa przeciwna napięcia przekraczała 1%.
Według różnych norm krajowych w świecie w systemie przesyłowym NN składowa przeciwna U2 relatywnie powinna być mniejsza od 1% U1 składowej zgodnej a awaryjnie dopuszczalne jest chwilowo 3%.
Aby zmniejszyć asymetrie wprowadzaną długa linia przesyłową (indukcyjności i pojemności są trochę różne na trzech pozycjach przewodów faz) przeplata się co pewną odległość przewody faz.
W ekonomi zjawisko przerzucania przez firmy realnych kosztów swojej działalności na inne podmioty nazwane jest kosztami zewnętrznymi. Z reguły chodzi o nieopłacone zanieczyszczanie środowiska naturalnego i pogarszanie zdrowia pracowników.
Płaci się za zużycie energii czynnej a więksi odbiorcy też za zużycie energii biernej. Ale nie płaci się za wprowadzaną asymetrie i zniekształcenia nieliniowe prądu. A przecież asymetria i zniekształcenia powodują realne szkody przerzucone na cały system gospodarczy.
Sprawa owego 1% (awaryjnie 3%) „zanieczyszczającego” napięcia składowej przeciwnej ma analogi w innych dziedzinach:
-Zanieczyszczenia środowiska są zawsze szkodliwe ale biurokratycznie wprowadzono dyskretne progi poziomu zanieczyszczeń których nie wolno przekraczać
-Sensowną miarą kosztu procesu przejściowego w układzie regulacji może być całka z kwadratu błędu po czasie czyli jego energia. Ale też czas do spadku błędu do poziomu 2% lub 5%
-Potencjalne zagrożenie ( zupełnie różne latem i zimą a szczególnie przy temperaturze 0C) wyceniono ( czasem nonsensownie) na ograniczenie prędkości do 40 km / h lub innej wartości.
Układ specjalny – kwadraturowy dwóch jednofazowych transformatorów Scotta lub specjalny transformator trójfazowy w układzie LeBlanc (lub inne) zamienia napięcie trójfazowe na kwadraturę dwóch napięć jednofazowych przesuniętych w fazie o 90 stopni.
W układzie Scotta jeden transformator jednofazowy jest normalny a drugi o trochę większej mocy ma odczep w środku uzwojenia pierwotnego. Jest to niewielka komplikacja technologiczna ale wymagana jest izolacja dla uzwojeń pierwotnych jak dla uzwojenia D co dla NN zwiększa ilość izolacji i zmniejsza moc transformatora w stosunku do uzwojenia Y . Sumaryczna masa żelaza i miedzi tych dwóch jednofazowych transformatorów składowych układu Scotta jest istotnie większa niż masa transformatora trójfazowego. Są też dwie kadzie choć możliwe jest przecież umieszczenie tych dwóch mniejszych transformatorów w jednej większej kadzi.
Specjalny transformator trójfazowy w układzie LeBlanc ( są też inne konfiguracje ) ma na jednej kolumnie jedno uzwojenie wtórne o umownie 2N zwojach a na dwóch kolumnach po dwa uzwojenia wtórne o N i 1.73..N zwojach. Uzwojeniami płynie przy zrównoważonych obciążeniach taki sam, co do modułu, prąd. Czyli na dwóch kolumnach jest na uzwojeniach wtórnych więcej miedzi. Sumarycznie zwoi wtórnych jest więcej niż w normalnym uzwojeniu trójfazowym czyli transformator LeBlanc ma mniejszą moc niż normalny transformator trójfazowy.
Koszt tych transformatorów specjalnych - kwadraturowych powiększa zatem dodatkowo ich nietypowe wykonanie. Przy dużej produkcji koszt nietypowości szybko maleje.
Gdy dwa jednofazowe S=S1+S2, S1=k x S i S2=(1-k) x S, k=0.5 obciążenia tych transformatorów kwadraturowych specjalnych są identyczne system nie pobiera składowej przeciwnej prądu I2 z sieci trójfazowej ale gdy nie są identyczne pobiera prąd I2.
W rozważaniach energetycznych posługujemy się pojęciem trójfazowej mocy zwarciowej Sz.
Na wykresie ( analiza składowych symetrycznych, transformatory idealne ) pokazano wielkość U2/U1 x S/Sz w % w funkcji asymetrii obciążeń jednofazowych dla:
-Obciążenia transformatorem jednofazowym
-Dla dwóch nierównych k=0..1 obciązeń jednofazowych transformatorów kwadraturowych specjalnych
-Dla dwóch nierównych k=0..1 obciążeń jednofazowych transformatorów trójfazowych Yd, Dd, VV.
Te dwa nierówne ( tylko z k=0.5 obciążenia są równe ) obciążenia S1 i S2 to oczywiście 1 - lewa i 2 - prawa część trakcji zasilanej z podstacji.
Zatem obciążenie jednofazowym transformatorem powoduje powstanie w napięciu sieci trójfazowej 1% składowej symetrycznej przeciwnej , gdy moc zwarciowa Sz sieci jest sto razy większa od mocy S obciążenia jednofazowego.
Transformator kwadraturowy (Scott, LeBlanc) tylko z identycznymi obciążeniami jednofazowymi k=0.5 nie wprowadza asymetrii w sieci trójfazowej.
Transformatory trójfazowe Yd, Dd, V V wprowadzają asymetrie mniejszą niż obciążenie jednofazowe i większą niż transformatory specjalne. Zaletą ( bardziej teoretyczną niż realną ) konfiguracji Dd jest możliwa praca z przerwą w jednym uzwojeniu wtórnym ale oczywiście ze zmniejszoną mocą.
Znając histogram nierówności obciążeń wyrażonych przez k: S1, S2 i ich wielkości dla danej Sz można wykonać histogram wprowadzanej składowej przeciwnej U2 i wielkość generowanej w systemie energetycznym szkody. System z transformatorami specjalnymi jest oczywiście istotnie lepszy ale koszt transformatorów jest znaczny ale i tak znacznie mniejszy niż koszt dodatkowego systemu symetryzacji o którym jest dalej. Najgorsze w tworzeniu składowej przeciwnej U2 są transformatory jednofazowe.
Im dłuższe (transformatory kwadraturowe i trójfazowe ) są odcinki między podstacjami tym więcej jest na odcinkach pociągów i statystycznie k jest bliższe zrównoważonemu 0.5. Zatem system 2 x 25 KV z mniejszą ilością podstacji jest znacznie lepszy od systemu 25 KV.
Realna jest nowa szybka linia długości 400 km z trzema ma podstacjami 2x25KV umieszczonymi jak najbliżej linii NN. Wystarczą transformatory kwadraturowe.
N.B. Widać tu pewną analogie do podstacji 3 KVdc. Doskonały transformator dla prostownika o m=18 ma trzy uzwojenia wtórne i jest bardziej skomplikowany w budowie i wymaga trochę więcej materiału ale podstacja praktycznie nie wprowadza szkodliwych prądów harmonicznych do systemu energetycznego i daje wyprostowane napięcie o małych pulsacjach!
Transformator trójfazowy LeBlanc ma 5 uzwojeń wtórnych i trochę zmniejszoną moc ale zmniejsza wprowadzaną do sieci szkodliwą składową przeciwną.
Zatem podstacja dla trakcji „25 KVac” o mocy rzędu 50 MW ( obsługa szybkich pociągów ) z transformatorami jednofazowymi wymaga mocy zwarciowej Sz=5 GW i musi być zasilana ciężką siecią NN 220 KV lub lepiej siecią 400 KV. Gdy konieczny do zbudowania odcinek tej sieci NN jest długi koszt jest bardzo wysoki. Także stacje na NN są drogie.
Składowa symetryczna przeciwna jest zawsze szkodliwa i nawet składowa 1% nie dając istotnego (!) zaburzenia pracy zasilanych maszyn daje jednak niebagatelne globalne straty w całym systemie energetycznym gdzie pracuje ogrom tych maszyn ! Impedancja przeciwna odbiorników może być kilka razy mniejsza niż impedancja zgodna i 1 % U2 daje kilku procentową składową przeciwną prądów I2 !
Zasilanie kolejowej podstacji linią 110 KV bezwzględnie wymaga równoważenia obciążenia faz UVW transformatorem kwadraturowym lub stosowania symetryzatora.
W systemach NN i często WN może być wymagane (idea dla całej sieci) skuteczne uziemienia punktu N uzwojenia Y transformatorów.
Całka za okres iloczynu napięcia fazy do N i prądu fazy daje tu energie czynną która przepłynęła przewodem tej fazy.
Przy częstotliwości sieciowej dobroć Q kondensatora do kompensacji mocy biernej wynosi ponad 4000 razy czyli jest bardzo duża.
Konstrukcja niskostratnego dławika energetycznego wymaga użycia wielu szczelin na całej uzwojonej długości kolumny rdzenia (A) i wieloprzewodu na uzwojenie dla ograniczenia strat od prądów wirowych. Dobroć największych dławików energetycznych na napięcie circa 400 KV nie przekracza 200 razy ale mniejszych jest mniejsza. Dławik energetyczny można też wykonać jako transformator z rdzeniem bez szczelin o bardzo dużej indukcyjności rozproszenia z Uz=100% (B) i zwartym /manipulowanym uzwojeniu wtórnym. Uzwojenie może mieć odczepy czemu odpowiada po stronie pierwotnej zmiana indukcyjności „dławika”. Znów konieczne jest użycie wieloprzewodu na uzwojenia. Dużą zaleta dławika - transformatora manipulowanego po stronie wtórnej jest to że nie dochodzi do nasycania rdzenia o co łatwo w pierwszym dławiku a co zależy od resztkowego namagnesowania rdzenia i kąta fazy podanego – załączonego napięcia.
Dla Średnich Napięć konkurencyjnym rozwiązaniem (C) przy bardzo dużych mocach jest dławik bez rdzenia. Jego zaletą jest liniowość czyli brak nasycenia
W przypadku dławika trójfazowego bez przewodu N z tyrystorami sterowanymi fazowo w prądzie zewnętrznym nie ma harmonicznych triplens z dominującą 3 harmoniczna. Ale tej zalety nie ma niestety system jednofazowy.
Aby uniknąć procesu przejściowego łącznik ma dławik (nie dławika - transformator o Uz=100% ) załączyć z kątem 90 deg czyli przy maksymalnym napięciu na łączniku co stanowi zaprzeczenie idei załączenia w Zerze napięcia na łączniku optymalnej dla załączenia kondensatora. Znak napięcia ma być adekwatny do magnetyzmu resztkowego rdzenia.
Wymuszenie przepływu mocy między fazami jest proste. Załóżmy że napięcia układu trójfazowego UVW są sinusoidalne i symetryczne.
Jeśli między dwie fazy załączymy indukcyjność to moc czynna przepływa od fazy o opóźnionej fazie napięcia. Jeśli między dwie fazy załączymy pojemność to moc czynna przepływa do fazy o opóźnionej fazie. Ale ma też miejsce przepływ mocy biernej. Przepływ między fazami mocy czynnej przez bezstratne elementy czysto reaktancyjne tylko na pozór jest dziwny.
Gdy umownie do UV uzwojenia wtórnego D transformatora trójfazowego dołączymy jednofazową rezystancję obciążenia (plus pojemność kompensująca ) a do V-W dołączymy odpowiednią (!) indukcyjność L a do WV odpowiednią pojemność C to transformator sieć trójfazową obciąży symetrycznie !
W trakcji kolejowej jednofazowy pobór mocy z „UV” (lub innych zacisków ) ciągle się zmienia i w sytuacji idealnej wartości L i C powinny nadążać za zmianami mocy.
Włączenie samego kondensatora jest niemożliwe ponieważ powoduje on „rezonansowe” powiększenia napięć harmonicznych w sieci. Zatem w szereg z nim należy dać dławik dający rezonans przy 3 harmonicznej. Rozwiązanie to zawsze zmniejszy poziom harmonicznych ale koszt dławika jest znaczny. Nienasycający się dławik powietrzny korzystnie ograniczy też prąd załączenia „kondensatora” czyli szeregowego dwójnika LC.
Załączenie kondensatora mechanicznym CB daje duży zakłócający impuls prądu i napięcia. Zatem gdy operacja ma być powtarzana konieczne jest załączenie kondensatora z szeregowym dławikiem przy zerowym napięciu na tyrystorowym kluczu symetrycznym. Aby nie wywarzać otwartych drzwi klucz z szeregowo połączonych tyrystorów ma mieć uproszczoną konstrukcyjną idee taką jaka jest stosowana w systemie HVDC ale na napięcie SN.
Symetryzator jest rozwiązaniem skomplikowanym i drogi.
Tyrystorowe łączniki SN winny być wykonane jako element standardowy.
Im dłuższy jest zasilany odcinek trakcji tym więcej jest zasilanych pociągów i mniejsza jest zmiana poboru mocy z podstacji. Jeśli zmiany mocy nie są wielkie to stałe wartości L i „C” ograniczą wprowadzoną asymetrie do akceptowalnego poziomu. W przeciwnym razie L i „C” muszą być regulowane lub przełączane.
Gdy na wyjściu dławika (B) damy antyrównoległą parę tyrystorów sterowanych fazowo to po stronie pierwotnej otrzymamy przede wszystkim regulowaną indukcyjność na częstotliwości podstawowej ale prąd jest niestety zniekształcony co jest istotną wadą tego rozwiązania. Harmoniczne prądu stwarzają bowiem poważne problemy.
Regulowany dławik może być użyty samodzielnie jako dławik lub równolegle z C jako wynikowo regulowana pojemność.
Wydaje się że lepszym rozwiązaniem jest tylko załączanie 1,2 ( wyjątkowo 3 ) kondensatorów i odpowiadającej im indukcyjności. Przy umownych wartościach L/C 1 i 2 mamy 4 (0,1,2,3) kombinacje co będzie raczej wystarczające.
Pobierana przez trakcje moc bierna oczywiście musi być kompensowana. Załączenie 1,2 kondensatorów kompensacyjnych (z szeregowymi dławikami na 3F czyli 150 Hz) rozwiązuje problem ale przede wszystkim same lokomotywy nie powinny pobierać dużej mocy biernej niepotrzebnie obciążającej cieplnie trakcje i obniżającej napięcie.
W systemach energetycznych coraz częściej stosowane są szeregowe indukcyjności antyrezonansowe z kondensatorami kompensacji mocy biernej. Także dławiki pochłaniające moc bierną generowaną w nocy przez linie NN są coraz częściej spotykane.
Zatem do systemu symetryzacji konieczne jest tylko skonstruowanie tyrystorowych łączników SN do bezzakłóceniowego załączania L i C.
System symetryzacji jest jednak złożony i raczej pierwszym krokiem winny być kwadraturowe transformatory specjalne.
Przetwornica maszynowa używana jest w jednofazowym systemie trakcji 15KV – 16 2/3 Hz. Również dla częstotliwości 50 Hz byłaby bardzo drogim i stratnym rozwiązaniem. Literatura nie podaje przykładu użycia takiego rozwiązania.
Patent 133.Asynchroniczny i synchroniczny napęd tyrystorowy do trakcji DC.
Trakcyjny silnik asynchroniczny waży 1/3 tego co silnik prądu stałego. Nie ma kłopotliwego zużywającego się w czasie pracy komutatora. Zatem silnik asynchroniczny jest dużo tańszy i praktycznie nie ma kosztów eksploatacyjnych. Silniki asynchroniczne produkowane są masowo dopracowaną dekadami technologią.
Tyrystor jest elementem półsterowanym. Gdy nie zajdzie poprawna komutacja dochodzi do zwarcia zasilania przez inverter !
W tyrystorowych inverterach VSI PWM napędzających silniki prądu zmiennego zasilanych z sieci trójfazowej naśladowane jest ochronne rozwiązanie stworzone przez General Electric. Może być ono adaptowane przy zasilaniu z napięcia stałego.
W lokomotywie BBC z tyrystorowym inverterem z silnikami asynchronicznymi zasilanej z trakcji prądu zmiennego zastosowano wariacje tego systemu zabezpieczenia. Lokomotywa ta jest rzekomo niezawodna !
Nie ma natomiast lokomotywy z inverterem do silników asynchronicznych zasilanej z trakcji 3000 Vdc.
W proponowanym rozwiązaniu (A) inverter VSI lub CSI z wymuszoną komutacją zasilany jest przez chopper. Gdy w chopperze zawiedzie komutacja to jest jeszcze komutacja w inverterze i odwrotnie.
W rozwiązaniu B Inverter poprzedzony jest Tyrystorowym wyłącznikiem szybkim.
Rozwiązania chopperów, inverterów VSI i CSI oraz wyłączników szybkich omówiono osobno.
Patent 134. Start kolejowego zaworowego silnika synchronicznego z trakcją 25KVac.
Silniki synchroniczne w przeciwieństwie do silników asynchronicznych nie mogą być w lokomotywie zasilane z tego samego invertera ponieważ napędzane koła lokomotywy mają odrobinę różną średnice i występują na szlaku zakręty. Inverterów musi być zatem tyle co napędowych silników synchronicznych. Z punktu widzenia niezawodności jest to korzystne bowiem awaria jednego invertera obniża tylko moc lokomotywy ale dalej jest ona operacyjna. Strona ekonomiczna jest niekorzystna. Silnik synchroniczny komutujący naturalnie zasilający go tyrystorowy falownik CSI nazywany jest maszyną zaworową lub BLDC.
Maszyna synchroniczna bezszczotkowa BLDC (BrushLess Direct Current ) od zwykłej różni się tylko tym że jej napięcie liniowe jest bardziej trapezowe niż sinusoidalne. Najbardziej przypomina spłaszczoną sinusoidę. Trochę inny jest kształt zębów stojana. Mankamentem maszyny BLDC jest pulsujący ( do 15%) moment napędowy. Atutem jest względna prostota tyrystorowego invertera z komutacją naturalną. Maszyna BLDC ma wbudowane trzy sensory - halotrony detekujące położenie wirnika na potrzeby zasilającego invertera lub inne sensory o takiej samej funkcji.
Przy obciążeniu momentem znamionowym naturalna komutacja maszyną ma miejsce dopiero przy prędkościach n>5-12% znamionowej. Dla silnika trakcyjnego będzie to około 6%.
W typowym przemysłowym systemie maszyny zaworowej zasilanym z sieci trójfazowej na wejściu jest pełnosterowany ( zależnie od kąta prostownik lub falownik ) mostek z 6 tyrystorów. Prąd wygładzony dławikiem DC (czasem jest tam włączone uzwojenie wzbudzenia !) podano do invertera CSI komutowanego naturalnie ( pracuje silnikowo jako falownik i generatorowo jako prostownik ) maszyną synchroniczną.
Wadą tego rozwiązania jest ogólnie praca maszyny synchronicznej z małym współczynnikiem mocy ( czyli słabe wykorzystanie jej mocy ) i znaczny ciężar dławika wygładzającego. Wady te są nieusuwalne przez co rozwiązanie nie jest perspektywiczne. Jednak silnik zaworowy ma dużo lepszą gęstość mocy od silnika prądu stałego. Może też pracować z częstotliwością > 50 Hz ( nawet i 100 Hz ) co ma znaczenie w szybkiej kolei.
Koncern Siemens w 1971 roku podał sposób rozruchu takiego systemu maszyny zaworowej. Na czas rozruchu dodatkowy równoległy do dławika wygładzającego tętnienia wzbudzony tyrystor zwiera dławik. Oczywiście adekwatnie do detekowanego kąta wału maszyny czyli jej SEM wzbudzona jest też para tyrystorów w falowniku CSI normalnie komutowanym przez maszynę. Ale w fazie rozruchu gdy SEM jest za mała do komutacji „impuls” prądu fazy stojana formują odpowiednio wzbudzane tyrystory trójfazowego mostka wejściowego. W etapie obniżania prądu do Zera wejściowy przekształtnik pracuje momentami płytko falownikowo. W maszynach o mocy >100 KW uzyskuje się moment rozruchowy nawet większy od 150 % nominalnego !
Na kolei nie jest wymagany tak duży moment rozruchu bowiem pociąg ma ruszyć płynie bez zerwania sprzęgów z luzami i przewracania pasażerów. Rzadkim wyjątkiem jest pochyły tor z którego rusza skład.
Przy sieciowym zasilaniu trójfazowym gdzie współczynnik mocy nie jest mocno istotny uformowanie odpowiednich impulsów prądu jest względnie proste. O wiele gorzej wygląda sytuacja przy trakcyjnym zasilaniu jednofazowym. Wejściowy przekształtnik pracuje tak jak w lokomotywie 25KV z silnikami DC. Szeregowo połączone są dwa mostki zasilane z dwóch uzwojeń transformatora mocy. Gdy silnik komutuje już swój mostek trojfazowy, mostki te mają pracować jak 2T+2D bowiem konieczne jest uzyskanie jak największego współczynnika mocy
Ale konieczne jest użycie 4 tyrystorów w symetrycznie sterowanym mostku aby przy rozruchowym zmniejszeniu prądu do zera chwilowo pracować płytko falownikowo. Po etapie rozruchu mostki sterowane są asymetrycznie aby zachowywały się tak jak mostki 2T+2D !
Alternatywą jest komutacja wymuszona (Tyrystory, obwody LC, dwójniki snubberów RC z silnymi rezystorami mocy, pomocnicze zasilacze) w inverterze tak jak w inverterze zasilającym silnik asynchroniczny. Conajmniej podwaja to w przybliżeniu koszt całego mostka trójfazowego maszyny.
Przy komutacji wymuszonej możliwe jest jednak lepsze wykorzystanie maszyny synchronicznej bowiem może ona pracować z cos phi bliskim jedności gdy jako zaworowa pracuje z małym współczynnikiem mocy. Z komutacją wymuszoną invertera lepszy jest jednak silnik asynchroniczny. Inwerter może zasilać kilka silników asynchronicznych co jest niemożliwe (sztywność i brak poślizgu) z silnikami synchronicznymi.
Sprawdzenie
W ekstruderze materiał podany jest do ślimaka z silnym napędem. Wyróżnia się w nim strefy początkową podawania, kompresji i końcową mięknięcia ( Czy na rysunku jest błąd „metering” zamiast melting ? ). Skutkiem bardzo silnego tarcia i dużego ciśnienia wydziela się ciepło i następuje podgrzanie i mięknięcie materiału. Jest to główne źródło ciepła dostarczonego materiałowi. Temperatura materiału na wyjściu ślimaka jest ważna i konieczny jest system jej regulacji.
Na strefach obudowy ślimaka są wężownice do ewentualnego chłodzenia płynem i grzejniki elektryczne z napięciem podanym przez tyrystorowe sterowniki fazowe (SCR) lub sterowniki grupowe.
Zastosowano system regulacji kaskadowej temperatury. Regulator Master PI stabilizuje temperaturę na wyjściu substancji gdzie jest sensor. Jego rozkaz podano do trzech regulatorów stref poprzez wagi TY % adekwatnie do fizyki procesu. Informacje z Tachometru ślimaka podano jako kompensacje SY Fedforward oraz jako blokadę I (Interlock ). Wyjscia regulatorów P trzech stref podano do wykonawców. Gdy wyjście regulatora (każdego z trzech ) jest ujemne następuje chłodzenie a gdy dodanie grzanie.
-Jakie orientacyjnie powinny być alokacje TY% rozkazu z regulatora Master ?
-Czy na rysunku czegoś brakuje ?
