ELEKTRICKÁ TRAKCE 5. VOZIDLA S VÍCE ZPŮSOBY NAPÁJENÍ

Transkript

Elektrická trakce 5 - Vozidla s více způsoby napájení
Obsah
10.12.2008
Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.
ELEKTRICKÁ TRAKCE 5.
VOZIDLA S VÍCE ZPŮSOBY NAPÁJENÍ
2. vydání
Obsah
1 Úvod.........................................................................................................................................2
2 Vozidla pro provoz na více napětích........................................................................................3
2.1 Vozidla pro stejnosměrné systémy...................................................................................3
2.2 Vozidla pro střídavé systémy............................................................................................4
3 Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti...................................................................8
4 Vozidla hybridní.....................................................................................................................24
5 Pomocný pojezd a vozidla speciální......................................................................................28
6 Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel...................................................................31
6.1 Zdroje pro nezávislá vozidla..........................................................................................31
6.2 Akumulátorová vozidla..................................................................................................32
6.3 Vozidla se spalovacím motorem a elektrickým přenosem.............................................34
6.3.1 Vlastnosti spalovacího motoru...............................................................................34
6.3.2 Stejnosměrný elektrický přenos a jeho řízení.........................................................37
6.3.3 Střídavý přenos a jeho řízení..................................................................................42
6.3.4 Trakční charakteristiky...........................................................................................44
7 Literatura................................................................................................................................46
-1-
1. Úvod
1
Úvod
Kromě elektrických trakčních vozidel, která jsou určena pro napájení z jediného trolejového
systému (napětí a kmitočtu) existuje řada vozidel, která mohou být napájena z více různých
zdrojů. Tato vozidla pak musí kombinovat schémata, uvedená v předchozích dílech. Protože
některý z napájecích zdrojů může být nezávislý na troleji, pojednáme v tomto díle také
stručně o vlastnostech a základní problematice pohonu se spalovacím motorem a
elektrickým přenosem.
Terminologie a dělení těchto vozidel není zcela jednotné. Vozidla dvounapěťová mohou
být napájena buď více stejnosměrnými nebo střídavými soustavami. Vozidla
dvouproudová jsou vozidla, schopná provozu na alespoň jednom stejnosměrném a
alespoň jednom střídavém systému. Někdy se tato vozidla nebo i předchozí skupina
označují také jako vozidla vícesystémová. Vozidla, která mohou pracovat jako závislá i
nezávislá se označují jako dvouzdrojová nebo hybridní. Možných kombinací je ovšem
celá řada podle požadavků na jejich užití.
Mimo to je třeba rozlišovat případy, kdy jednotlivé způsoby napájení jsou co do trakčních
vlastností vozidel zhruba rovnocenné ("velký přechod") nebo se tyto vlastnosti zásadně liší
(některý z nich slouží například jen pro posun samotného vozidla v depu, hale ap.). Nejprve
se budeme zabývat prvním případem.
Na rozdíl od předchozích dílů budou příklady konkrétního provedení vozidel uváděny kvůli
lepší přehlednosti v závěru každé kapitoly.
Samostatnou problematiku představuje řešení pomocných pohonů a napájení vlastní
spotřeby, především u vozidel, která mají být provozována také na 3 kVss. Technicky
efektivní řešení nabídla u nových vozidel teprve měničová technika. Jinak se tímto tématem
budeme zabývat v dalším díle.
-2-
2. Vozidla pro provoz na více napětích
2 Vozidla pro provoz na více napětích
2.1 Vozidla pro stejnosměrné systémy
Nejběžnějším případem je provoz na dvou stejnosměrných napětích 1500Vss a 3000 Vss.
Pokud jsou použity stejnosměrné motory a stupňové řízení napětí předřadnými odpory a
odbuzováním nepředstavuje řešení principiálně zvláštní potíže.
Například pro systém 3000 Vss lze vytvořit motorové skupiny ze sériového spojení dvou
motorů s napětím 3000/2 V a pro systém 1500Vss motorové skupiny ze dvou stejných,
paralelně zapojených motorů. Každý motor ovšem musí mít vlastní měnič směru a šentovací
obvody a vhodným způsobem je třeba přepojit i rozjezdové (ev. brzdové) odpory. Trakční
charakteristiky se pak prakticky nezmění, vozidlo bude mít 2 hospodárné stupně a příslušný
počet stupňů šentovacích. Počet odporových stupňů závisí na spínacím programu odporových
stykačů.
Pro systém 1500 Vss je ovšem možno využít i čistě sériového spojení všech 4 motorů a tak
získat další hospodárný stupeň, odpovídajícího jmenovitému napětí na motoru 1500/4=375 V.
Velmi zjednodušené schéma vozidla se 4 motory je na Obr. 1. Ve vlastní realizaci ovšem
významně naroste počet spínacích přístrojů (v Obr. 1 nejsou naznačeny).
Obr. 1 Princip přepínání u dvounapěťového vozidla se stupňovým řízením (dvounap.dwg)
Obr. 2 Možnost přepínání vozidla s asynchronními motory na dvě trolejová napětí (dvounap.dwg)
Při použití cize buzených motorů je zapotřebí další regulovaný zdroj pro buzení. Při napájení
z pulzních měničů nebo asynchronních motorů, napájených z napěťových střídačů je řešení
blokově obdobné: bloky filtr-měnič-motor pro jmenovitá napětí 1500Vss (izolačně na 3 kV
proti zemi) se řadí paralelně a na 3000 Vss do série na trolejové napětí. Principiální zapojení
je odpovídá případům na Obr. 2. Při sériovém řazení je třeba hlídat potenciál středního bodu
(schémata na obrázku nahoře) nebo použít asynchronních motorů s dvojitou hvězdou (na
obrázku dole), kdy se napětí dělí působením magnetické vazby obou soustav statorových
-3-
vinutí hlavním magnetickým tokem (viz též 4. díl).
Jinou možností pro vozidla s asynchronními motory je použít optimálního napětí meziobvodu
(obyčejně mezi oběma sledovanými trolejovými napětími, 2000..2800 V). Předřazeným
vstupním pulzním měničem s možností práce ve snižovacím a případně i zvyšovacím režimu
se napětí troleje upraví (a stabilizuje) na požadovanou hodnotu. Příklady jsou uvedeny dál u
příležitosti vozidel více systémových.
2.2 Vozidla pro střídavé systémy
Napájení střídavých vozidel z různých střídavých systémů se řeší přepínáním vinutí trakčních
transformátorů tj. změnou převodu přepínáním počtu závitů. Přepínání je možno provádět na
primárním nebo na sekundárním vinutí podle schématického Obr. 3 pro nejčastější případ
soustav 25 kV, 50 Hz a 15 kV, 162/3 Hz v evropské železniční síti.
Obr. 3 Přepínání transformátoru na primární a sekundární straně (trafo_pr.dwg)
Pokud se při přepínání soustavy mění také kmitočet jako v naznačeném případě je pro
průřez jádra, které zásadně ovlivňuje velikost transformátoru rozhodující poměr U/f
(magnetický tok resp. sycení). Pro systém 25 kV, 50 Hz je na primáru roven 500, kdežto pro
15 kV, 162/3 Hz je významně větší, roven 900, takže pro velikost transformátoru jsou
rozhodující poměry při provozu na síty 15 kV. Připomeňme hned, že také všechny druhy
tlumivek pro kmitočet 162/3 Hz vychází výrazně větší (i když ne 3x podle jednoduché úvahy).
Zapojení pro přepínání podle Obr. 3 ovšem naznačuje pouze princip, ve skutečnosti je
zapojení vinutí podstatně složitější, protože kromě zajištění správného převodu je třeba mj.
vhodně rozdělit vinutí v oknech tak, aby bylo při obou případech napájení pokud možno
symetrické s ohledem na síly při zkratech, rozptylové indukčnosti a oteplení. Zároveň musí
být vinutí pokud možno co nejlépe využité tak, aby typový výkon byl co nejmenší.
Poměry lze nejsnáze objasnit na schématickém numerickém příkladě. Ve všech případech se
předpokládá zdánlivý výkon 3000 kVA, což odpovídá v ideálním případě vstupnímu proudu
120 A při 25 kV a 200 A při 15 kV a celkovému výstupnímu proudu 3000 A při 1000 V
(hodnoty jsou zvoleny tak, aby odpovídaly typickým poměrům u traťové lokomotivy).
Celkový typový výkon pro tři vybraná zapojení je pak roven součtu větších ze zdánlivých
výkonů jednotlivých vinutí z obou případů.
V případě podle Obr. 4a) je typový výkon horní části 10*120=1200 kVA, dolní 15*200=3000
kVA, takže typový výkon primárního vinutí je 4200 kVA, tedy 1,4x větší než je skutečně
využívaný.
Zapojení podle Obr. 4b) bylo navrženo firmou Elin (Rakousko) a podobným rozborem lze
snadno vypočíst, že celkový typový výkon primárních vinutí je 3400 kVA což je jen 1,133x
více než je výkon skutečně využívaný. Kromě toho je zde již naznačeno symetrické rozdělení
vinutí na oba sloupky. Sekundární vinutí (nejsou znázorněna, protože jejich uspořádání není
podstatné) jsou v obou případech využívána plně, na 3000 kVA.
-4-
Obr. 4 Různé varianty přepínání vinutí transformátoru (trafo_pr.dwg)
Příklad přepínání na sekundární straně je na Obr. 4c) a typový výkon sekundárních vinutí je
2*1,667*1500=5000 kVA tj. typový výkon 1,67x větší než skutečný. Kromě toho musí být
přepínána všechna sekundární vinutí (vč. vinutí pro vlastní spotřebu topení ev. dalších) a to na
úrovni poměrně značných proudů, ovšem na vzduchu, kdežto přepínání na primáru se provádí
obyčejně v nádobě transformátoru.
Ve všech uvedených (velmi zjednodušených ) případech musí být jádro dimenzováno pro
provoz na systému s kmitočtem 162/3 Hz.
Přirozeně existuje řada řešení, podrobnosti však nebývají publikovány, neboť souvisejí již
těsně s konstrukčním provedením těchto velmi speciálních strojů.
Jako příklad dvounapěťové lokomotivy je na Obr. 6 principiální schéma lokomotivy pro OBB
1014 (Elin) pro přechod na ČD v Břeclavi mezi systémy 25 kV, 50 Hz a 15 kV, 162/3 Hz.
Přepínání je jen naznačeno, skutečné zapojení odpovídá Obr. 4b). Parametry vinutí a jeho
uspořádání na dvousloupkovém (jádrovém) transformátoru je na Obr. 5 opět poněkud
zjednodušeně) [0].
Hlavní údaje lokomotivy: uspořádání Bo´Bo´, max. rychlost 170 km/h, trvalý výkon 3000
kW, hmotnost 64 t. Lokomotiva se vyznačuje originálním řešením v řadě směrů, zejména
•
•
•
řízení využívá vzájemnou magnetickou vazbu sekundárních vinutí transformátoru pro zajištění přesazeného
řízením paralelně zapojených pulzních usměrňovačů i při dvouhodnotovém řízení; proto není spínací
kmitočet jednoznačně definován,
pulzní usměrňovače pro napájení pomocných pohonů se speciálním řízením s vazbou na průběh trakčního
proudu jsou využity pro potlačení vyšších harmonických v primárním proudu; pulzní usměrňovač pro trakci
je osazen GTO tyristory a pracuje s kmitočtem asi 330 Hz (jeden měnič), kdežto (také přesazeně řízené)
pomocné pulzní usměrňovače s IGBT s kmitočtem 2x6 kHz kompenzují zvlnění v primárním proudu od
činnosti trakčních měničů,
důsledné maximální využití všech možností pro snížení rušení.
Velmi podrobné informace o všech významných komponentách lze nalézt ve speciálním čísle
Elin Zeitschrift [0], které je věnováno této lokomotivě.
-5-
Obr. 5 Parametry,zapojení a uspořádání vimutí dvounapěťového transformátoru lokomotivy 1014 (Elin)
(elin.dwg)
Na Obr. 6 je uvedeno principiální schéma trakčních obvodů i obvodů pomocných pohonů této
dvounapěťové lokomotivy. Způsob přepínání systémů je zde pouze naznačen jak se často
stává. Zařezení tlumivek do přívodů k trakčním motorům (jednu část lze překlenout) zřejmě
souvisí s nutností zlepšit tvar fázového proudu při relativně nízkém nosném kmitočtu GTO
trakčních střídačů.
-6-
Obr. 6 Principiální schéma trakčních obvodů lokomotivy 1014 OBB (Elin) (1014.bmp)
-7-
3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti
3
Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti
Tato vozidla budeme označovat jako dvouproudová ev. tří- nebo i čtyřproudová. Poslední
jsou ale kombinací dvouproudového a dvounapěťového provedení, která již byla stručně
popsána, takže se soustředíme na řešení vozidel dvouproudových.
Tato vozidla mají v naší republice poměrně dlouhou tradici, protože „podélné“ rozložení
obou trakčních soustav v bývalé ČSR (ČSSR, ČSFR) si jejich intenzivní využívání
vynutilo i ve vnitrostátním provozu.
Základem pro návrh těchto vozidel je zpravidla „stejnosměrná lokomotiva“, které je pro
provoz na střídavé soustavě předřazen transformátor a měnič, kterým může být podle
okolností diodový, řízený nebo pulzní usměrňovač. Pro napětí meziobvodu je pak
rozhodující napětí stejnosměrné soustavy nebo napětí motorů. V počátcích byl zkoušen i
postup opačný, kdy je východiskem schéma lokomotivy střídavé a pro provoz na
stejnosměrném systému je předřazen střídač. Tato konstrukce neměla při stavu techniky v té
době naději na úspěch. V poslední době se tento postup znovu zkouší, ovšem za podstatně
jiných poměrů (viz dále).
Relativně jednoduché řešení pro vozidla s odporovým řízením a sériovými motory
představuje předřazení transformátoru, diodového usměrňovače a vyhlazovací tlumivky
standardní „stejnosměrné lokomotivě“, jejíž motory je nutno upravit pro provoz se zvlněným
proudem. Toto řešení bylo použito např. u lokomotiv 350 (nyní ŽSR) pro systémy 3 kVss a 25
kV, 50 Hz a u lokomotiv 372 (ČD) resp. 182 (DB) pro systém 3 kVss a 15 kV, 162/3 Hz pro
trať Děčín-Drážďany.
Schéma „stejnosměrné“ části bylo uvedeno ve skriptech Elektrická trakce I, díl 2 i s popisem
funkce odporového řízení, brzdění a poruchové jízdy. Nyní pouze doplníme výkres se
„střídavou“ výzbrojí, vstupními obvody a přepínáním systémů (Obr. 7). Pro střídavou část
jsou použity dva diodové můstky (s ohledem na závěrné napětí diod).
Podobně je řešena i dvouproudová lokomotiva 363 (ČD) a odvozené typy s pulzními měniči a
stejnosměrnými cize buzenými trakčními motory. Schéma vstupních obvodů a pomocných
obvodů je na Obr. 8 schéma obvodu pulzních měničů a trakčních motorů na Obr. 9.
Transformátor se dvěma v sérii zapojenými diodovými můstky představuje na střídavém
systému zdroj napětí přibližně 3000 Vss pro napájení pulzních měničů. Na stejnosměrném
systému je jeden z můstků využit jako „oddělovací dioda“. Pomocné pohony jsou napájeny
z pomocné stejnosměrné sítě s napětím asi 440 Vss, která je vytvořena pulzním stabilizátorem
(„Unipuls“- primární měnič). Jednotlivé motory jsou napájeny samostatnými sekundárními
pulzními měniči. Jejich obvod tedy není galvanicky oddělen od trakčního napětí.
Pulzní měniče používají RCT tyristory se zhášecími obvody, dvě paralelní větve pracují
s přesazeným řízením, celkové schéma odpovídá zapojení „se zkříženými diodami“, které
bylo popsáno v 3. díle. Rekuperace není použita, jen odporová brzda. Brzdový odporník je
chlazen ventilátorem, napájeným z odbočky odporníku. Způsob napájení budicích vinutí
trakčních motorů odpovídá obr. 47 Elektrická trakce 3 - kapitola 3. Plynulá regulace cize
buzeného motoru, kde byl popsán.
V dalším se soustředím na vozidla s asynchronními trakčními motory, kterých existuje celá
řada a následující výběr by měl poskytnout přehled typických nebo zajímavých řešení i
některé projekty, navrhované pro ČD.
-8-
Obr. 7 Schéma vstupních obvodů lokomotivy 372 (76E) (80etr1.bmp)
-9-
Obr. 8 Vstupní obvody dvouproudové lokomotivy s pulzní regulací (69etr1.bmp)
- 10 -
Obr. 9 Schéma obvodů měničů a trakčních motorů lokomotivy 363 (69E) (69emot.bmp)
Jako první příklad je na Obr. 10 uvedeno zapojení trakčních obvodů dvousystémové lokomotivy SATS pro
provoz na síti 25 kV, 50 Hz a 3 kVss [0]. Zapojení využívá dvou proudových střídačů (15), zapojených i
s příslušnými trakčními motory (17) do série a je obdobou zapojení se stejnosměrnými motory („se zkříženými
diodami“ - spínače (18)). Pro vytvoření proudového zdroje jsou použity pulzní měniče (13), na střídavém
systému je stejnosměrný meziobvod napájen polořízeným usměrňovacím můstkem (6). Zařízení (5) je filtr pro
omezení rušení a zlepšení účiníku. Na ss systému lze brzdit do odporu (16) i rekuperací, na střídavém pouze do
odporu (střídavá rekuperace není dovolena).
- 11 -
Hlavní parametry lokomotivy: rozchod 1065 mm, hmotnost 92,5 t, trvalý výkon motorů 4000 kW, maximální
rychlost 160 km/h, výkon EDB 2900 kW, dodalo konsorcium Siemens, SLM a další firmy, 29 ks, prototyp 1987.
Obr. 10 Schéma dvouproudové lokomotivy SATS (sats.tif)
Jako další uveďme schéma lokomotivy 1822 [0] (Obr. 11). Jedná se o dvousystémovou
lokomotivu, určenou pro provoz mezi Německem, Rakouskem a Itálií pro systémy 15 kV,
162/3 Hz a 3 kVss. Jinak standardní uspořádání využívá pro střídače i pulzní usměrňovače
tříbodové zapojení, což dovoluje na stejnosměrném systému přímé připojení meziobvodu na
trolej. Napětí meziobvodu na stejnosměrném systému je 2000-4200 V, na střídavém 3500 V.
Pravděpodobně toto vysoké napětí vedlo k tomu, že tuto lokomotivu nelze považovat za příliš
úspěšnou.
Hlavní parametry lokomotivy hmotnost 82 t, maximální rychlost 140 km/h, trvalý výkon motorů 4400 kW v tahu
i rekuperační brzdě na obou systémech, výkon odporové brzdy 1000 kW. Výroba ABB a SGP 5ks 1990.
- 12 -
Obr. 11 Schéma dvousystémové lokomotivy 1822 (rh1822.bmp)
Originální řešení představuje lokomotiva S252, postavená ve velké sérii firmou Siemens pro
španělské dráhy. Principiální schéma trakčních obvodů je na Obr. 13 (pro polovinu
lokomotivy) při provozu na stejnosměrném systému (3 kVss) a střídavém (25 kV, 50 Hz) [0].
- 13 -
Na střídavém systému jsou 3 pulzní usměrňovače napájeny ze tří sekundárních vinutí a
napájejí jeden meziobvod s napětím 2800 V. Z něho jsou napájeny dva střídače pro dva
motory.
Na stejnosměrném systému tvoří 4 větve pulzních usměrňovačů pulzní měniče, které
s proměnnou střídou zapojují vstupní svorky měničů paralelně (na napětí 3000 V na měnič) a
do série (1500 V na měnič). Tlumivky a kondenzátor meziobvodu vyhlazují napětí na
vstupech měničů na požadovanou střední hodnotu 2800 V. Zapojení umožňuje odporové i
rekuperační brzdění na obou systémech.
Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 88 t, maximální rychlost 220 km/h, trvalý výkon motorů 5600 kW,
výkon rekuperační brzdy 5600 kW, odporové 3300 kW. Vyrobilo konsorcium Siemens, ABB, Kraus Maffei,
Thysen Henschel, CAF, MEINFESA, 75 ks od 1991.
Funkci na stejnosměrném systému lze nejlépe pochopit ze zjednodušeného náhradního
schématu na Obr. 12. Vedení proudu s odpovídajícím označením popisuje v jednotlivých
režimech Tab. 1.
Obr. 12 Zjednodušení schéma S252 na stejnosměrném systému (s252.dwg)
Tab. 1 Způsob vedení S252 při jízdě a rekuperaci na stejnosměrném systému
Po zapnutí
Po vypnutí
T1
Tah
F - T1 - L1 - C2 - Z
T2
T7
F - T2 - L3 - C2 - Z
F - C1 - L2 - T7 - Z
T8
T1
F - C1 - L4 - T8 - Z
F - C1 - D3 - L1 - C2 - Z
T2
T7
T8
Po zapnutí
Rekuperace
T3
Z - C2 - L1 - T3 - C1 - F
T4
T5
C - C2 - L3 - T4 - C1 - F
Z - C2 - T5 - L2 - C1 - F
T6
T3
Z - C2 - T6 - L4 - C1 - F
Z - C2 - L1 - D1 - F
F - C1 - D4 - L3 - C2 - Z
F - C1 - L2 - D5 - C2 - Z
T4
T5
Z - C2 - L3 - D2 - F
Z - D7 - L2 - C1 - F
F - C1 - L4 - D6 - C2 - Z
T6
Z - D8 - L4 - C1 - F
Po vypnutí
Je vidět, že při tahu jsou při zapnutí GTO T1, 2, 7, 8 meziobvody zapojeny na trolejové napětí
do série, při vypnutí paralelně a při rekuperaci opačně. Řízením poměrné doby sepnutí a
vypnutí lze pak nastavit střední hodnotu napětí meziobvodu na libovolnou hodnotu mezi
polovinou a celým napětím troleje.
- 14 -
Obr. 13 Činnost obvodů S252 při práci na stejnosměrném a střídavém systému (s252a.bmp)
Projekt třísystémové rychlé sedmivozové naklápěcí soupravy řady 680 ČD, elektrická část
firmy Siemens, maximální rychlost na stejnosměrném systému 160 km/h, na střídavém 230
km/h, hmotnost (prázdná) 387 t, celkový výkon 8 motorů 4000 kW, výkon odporové brzdy
3800 kW, max. rozjezdová tažná síla 210 kN [0].
- 15 -
Obr. 14 Funkce obvodů motorové jednotky 680 na střídavém systému (680_1.bmp)
Obr. 15 Funkce obvodů motorové jednotky 680 na stejnosměrném systému (680_2.bmp)
Principiální schéma trakčních obvodů při jízdě na střídavém systému je na Obr. 14.
Transformátor (s přepínáním napětí pro oba střídavé systémy na sekundáru) napájí dva pulzní
usměrňovače a z meziobvodu jednak střídač pro 4 paralelně zapojené asynchronní trakční
motory (skříň měničů AC), jednak transformátor pomocných pohonů přes střídač. Tento
střídač pracuje na kmitočtu 300 Hz a je tvořen součástmi pulzního měniče ve skříni měničů
DC. Napětí meziobvodu je 2000..2600 V, měniče jsou postaveny na GTO tyristorech.
Schéma při jízdě na stejnosměrném systému je na Obr. 15. Dvakrát dva paralelně a sériově
spojené pulzní měniče ve skříni měničů DC pro oba směry přenosu výkonu (4 „střídačové“
- 16 -
větve) připojené přes vstupní filtr na napětí troleje napájejí stejnosměrný meziobvod. Z něho
je opět napájen jednak trakční střídač (skříň měničů AC), jednak jeden z pulzních
usměrňovačů ve skříni měničů AC, který pracuje jako střídač napájející přes transformátor
pomocné pohony.
Pro porovnání je na Obr. 16 uvedeno projekční schéma dvouproudové verze elektrického
motorového vozu 671 odvozeného ze stejnosměrného provedení 471 s asynchronními
trakčními motory s vinutím do dvojité hvězdy, s měniči s IGBT. Na stejnosměrné straně
pracují trakční střídače v sérii na děleném filtru, na střídavém jsou zapojeny paralelně
na meziobvod s napětím 1500 V, který je vytvářen pulzními usměrňovači. Pomocné pohony
jsou na obou systémech napájeny shodně z meziobvodů (jako na 471). Přepínání obou
systémů je velmi jednoduché, odporová i rekuperační brzda je použitelná na obou systémech.
Schéma lokomotivy E412 (výr. ABB) pro systémy 15 kV, 162/3 Hz, 3 kVss a 1,5 kVss pro
přechod Švýcarsko - Itálie [0] je na Obr. 17 pro oba systémy. Pro střídavý systém je použito
standardního zapojení se třemi sekundárními vinutími na transformátoru a pulzními
usměrňovači, které jsou zapojeny paralelně.
Pro stejnosměrný systém 3 kV je použito zapojení motorů s dvojitou hvězdou a střídači, zapojenými v sérii na
dělený vstupní filtr. Protože se na střídavém systému využívá napětí meziobvodu 2800 V a na stejnosměrném
1500 V jsou parametry lokomotivy na jednotlivých systémech různé. Pro systém 1,5 kVss je meziobvod připojen
přes filtr přímo na napětí troleje.
Systém
15 kV
3 kV
1.5 kV
Trolejové napětí
Trvalý výkon trakčních motorů
12...18
5,5
2...4
6,0
1...2
2,7
kV
MW
Rozsah využití výkonu
87...200
95...200
43...130
km/h
Skutečné zapojení trakčních obvodů E 412 je poměrně složité, vyžaduje mnoho kontaktních
přístrojů a kabelů mezi motory a strojovnou, hmotnost 87 t, maximální rychlost 200 km/h,
dodávky ABB pro FS 20 ks od 1996.
- 17 -
Obr. 16 Projekční schéma dvouproudové verze elektrického motorového vozu 671 (671sil6a.dwg)
- 18 -
Obr. 17 Principiální schéma lokomotivy E412 na střídavém a stejnosměrném systému (e412a.bmp)
Principiální schéma trakčních obvodů poslední uvedené dvousystémové lokomotivy SYBIC, 25 kV, 50 Hz a 1,5
kVss SNCF [0] je na Obr. 18. Pro sdružený pohon náprav jednoho podvozku je použit synchronní motor
s vinutím ve dvou izolovaných hvězdách, prostorově posunutých o 30°, které jsou napájeny ze dvou
proudových střídačů. Ty jsou zapojeny do série a jejich řízení je rovněž fázově posunuto. Střídače jsou
komutovány indukovaným napětím motorů s výjimkou nejnižších rychlostí (asi do 18 km/h), kdy motory pracují
s přerušovaným proudem. Motory jsou buzeny přes kroužky. Proudový zdroj tvoří pulzní měnič napájený buď
přímo z troleje nebo z transformátoru přes polovičně řízené usměrňovací můstky. Řízená odporová brzda je
v zapojení „se zkříženými diodami“.
Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 90 t, maximální rychlost 200 km/h, trvalý výkon motorů 5600 kW
(2x2800 kW).
- 19 -
Obr. 18 Schéma lokomotivy SYBIC (sybic.bmp)
Označení v obrázku: 1 sběrač, 2 střídavý hlavní vypínač, 3 přepojovač ss/st a stejnosměrný hlavní vypínač, 4
trakční transformátor, 5 vinutí vlakového topení, 6 trakční usměrňovač, 7 vstupní filtr, 8 pulzní měnič, 9 brzdový
odporník (dělený), 10 střídač, 11 statorové vinutí trakčního motoru, 12 buzení trakčního motoru, 13 zařízení pro
nucenou komutaci při nízkých rychlostech.
Jako další příklady třísystémových lokomotiv uvedeme zjednodušené schéma třísystémové
lokomotivy řady 36 000 pro 25 kV, 50 Hz, 1,5 kVss a 3 kVss pro SNCF [0] Obr. 19,
zjednodušené pak na Schéma s asynchronními trakčními motory individuálně napájenými
ze střídačů se stálým napětím meziobvodu (asi 2400 až 2800 V-neuvedeno). Meziobvod je na
střídavém systému napájen z pulzních usměrňovačů, které na stejnosměrných systémech
pracují jako pulzní měniče tak, že podle potřeby zvyšují (na systému 1,5 kV) nebo snižují(na
systému 3 kV) napětí troleje na konstantní napětí meziobvodu.
Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 90 t, maximální rychlost 220 km/h, výkon na obvodu kol 6000 kW,
výkon elektrické brzdy na obvodu kol 3000 kW.
Zajímavé je také zapojení dvouproudové lokomotivy SNCF 427 000 „Prima“ firmy Alsthom
[0] uvedené na Obr. 21. Při práci s trolejovým napětím 3 kVss funguje „horní“ PU tom jako
střídač a příslušný výkon se transformuje přes primár do dolního vinutí, a „dolním“ PU se
usměrňuje do meziobvodu, ze kterého jsou pak napájeny trakční střídače.
- 20 -
Obr. 19 Schéma lokomotivy 36 000 pro 3 systémy (36000.bmp)
- 21 -
Obr. 20 Zjednodušené schéma zapojení měničů lokomotivy 36000 (3600_3.dwg)
Obr. 21 Zjednodušené schéma lokomotivy „Prima“ (472prima.dwg)
Nakonec uvedeme ještě návrh třísystémové lokomotivy Bo´Bo´ (ŠKODA) pro ČD ř. 380, 25
kV, 50 Hz, 15 kV, 162/3 Hz, 3 kVss, maximální rychlost 200 (220) km/h s trvalým výkonem
motorů 5000 kW (max. 6500 kW) - Obr. 22. Podobně jako dvouproudový motorový vůz
podle Obr. 16 využívá motorů s vinutím do dvojité hvězdy a standardních větví s IGBT
s vodním chlazením.
- 22 -
Obr. 22 Projekční schéma třísystémové lokomotivy pro ČD (ŠKODA) (zpráva 109estft.doc)
- 23 -
4. Vozidla hybridní
4
Vozidla hybridní
V této kapitole se budeme na několika příkladech zabývat vozidly, určenými pro provoz
s napájením jednak z troleje, jednak z nezávislého zdroje (nikoli pouze popojíždění v depu
ap.). Hranice mezi obojím uplatněním je ovšem značně neurčitá. S ohledem na potřebný
výkon a akční rádius se jako nezávislý provozní zdroj uplatní nejčastěji spalovací motor
s generátorem, i když ani pak zpravidla nedosahuje výkonu vozidla při provozu pod trolejí.
Výjimku tvoří malé posunovací lokomotivy pro provoz z troleje a z akumulátorů. Ty pak je
možno při jízdě pod trolejí i dobíjet.
Nezávislý zdroj energie může být trvale zabudován ve vozidle nebo může být umístěn na
odpojitelném voze. To je výhodné, pokud se provoz z tohoto zdroje předpokládá pouze občas
nebo jen u jednotlivých lokomotiv podobného typu (a popřípadě pokaždé u jiného vozidla).
Tato vozidla jsou určena především pro práci na nezatrolejovaných kolejích nebo kolejích
s vypnutým napájením pro zajištění nutného provozu, bezpečnosti osob, hygienických
předpisů, z důvodů konstrukčních aj. (vlečky, haly, skladištní koleje, montážní práce na
troleji, práce v tunelu metra, práce pod násypkami v dolech ap.)
Na Obr. 23 je jednoduchá průmyslová třínápravová dvouzdrojová lokomotiva [0] pro napájení
ze sítě 15 kV, 162/3 Hz nebo 50 Hz. Proudový zdroj pro proudové střídače, které napájejí tři
paralelně spojené asynchronní trakční motory vytváří pulzní měnič, sloužící i pro řízení
odporové brzdy. Meziobvod s napětím 900 V vytváří jednak řízený usměrňovač, napájený
z trakčního transformátoru (mění se pouze kmitočet napájecího napětí) nebo dieselagregát se
stejným napětím. Hmotnost 60 t, maximální rychlost 50 km/h, trvalý výkon motorů při
napájení z troleje 700 kW, při napájení z motorgenerátoru je pro trakci k dispozici pouze 70
kW. Výkon brzdy 700 kW. Lokomotiva je určena pro posun v průmyslové oblasti Poruří
(elektrická část Siemens).
Obr. 23 Dvouzdrojová lokomotiva RAG (rag.bmp)
Dalším příkladem je lokomotiva C 38. Schéma trakčních obvodů [0] dvouzdrojové
asynchronní lokomotivy pro napájení z troleje 3000 Vss nebo z motorgenerátoru (Siemens)
pro univerzální použití je na Obr. 25. Výkon při napájení z troleje 1500 kW,
z motorgenerátoru 600 kW, maximální rychlost 100 km/h, trvalá tažná síla 180 kN, hmotnost
74 t, brzda rekuperační 1500 kW a odporová 1000 kW. Napětí meziobvodu 2350 V, měniče
GTO s přirozeným vzduchovým chlazením(!).
- 24 -
Obr. 24 Schéma dvouzdrojové lokomotivy C 38 (C_38.bmp)
Schéma trakčních obvodů dvouzdrojové lokomotivy (Siemens) [0] pro provoz ze
stejnosměrné sítě 750V (třetí kolejnice) a z akumulátorů je na Obr. 25. Při jízdě pod trolejí
jsou akumulátory dobíjeny z troleje přes pulzní měnič, který jinak slouží také pro řízení
odporové brzdy. Hlavní parametry: uspořádání náprav Bo´Bo´, motory uloženy podélně ,
maximální rychlost 40 km/h, rozjezdová tažná síla 120 kN, hmotnost 36 t, maximální výkon
motorů 300 kW, akumulátor 480 V, 460 Ah (5h). Lokomotiva je určena pro výstavbu a údržbu
podzemní dráhy v Hamburku.
Další vozidlo, které uvedeme, je dvouzdrojový trolejbus ŠKODA 21 Tr ACI s pomocným
agregátem se spalovacím motorem a asynchronním generátorem [0]), Obr. 26, který je
odvozen od standardního trolejbusu 21 Tr a dovoluje i s cestujícími překonávat úseky bez
troleje např. při objíždění překážek.
Obr. 25 Schéma dvouzdrojové posunovací lokomotivy pro metro (Al1.bmp)
Hlavní parametry trolejbusu: trolejové napětí 750 Vss, max. 65 km/h, trvalý výkon motoru
156,5 kW, max. výkon při jízdě se spalovacím motorem 50 kW, hmotnost pomocného
agregátu 540 kg.
- 25 -
Obr. 26 Schéma asynchronního trolejbusu s pomocným agregátem 21 Tr ACI (tr21.bmp)
Jako příklad modulového řešení pohonu pro různé kombinace uvedeme ještě koncepci řešení
prototypu šestivozové jednotky LIREX [0]. Základní stavební části je „půlvlak“, složený ze
tří, provozně nedělitelných vozidel se 4 nápravami, z nichž 3 jsou hnané. „Půlvlak“ může být
vyzbrojen standardními stavebními díly buď jako střídavý (15 kV, 16 2/3 Hz), jako motorový
nebo jako hybridní pro oba uvedené způsoby napájení. Blokové schéma pohonu je na Obr. 27,
ovšem na konkrétní soupravě jsou instalována zařízení podle Tab. 2.
Obr. 27 Blokové schéma výkonového obvodu LIREX (lirex.tif)
- 26 -
Tab. 2 Trakční výzbroj pro jednotlivé varianty LIREX.
Provedení (šestivozová souprava)
Dieselagregátů (motor 338 kW, generátor 1310V, 322 kVA)
Trakčních transformátorů
Trakčních motorů 190 kW, 1140 V, max. 6000 ot/min., 480 kg
Maximální rychlost při nezávislém provozu
Maximální rychlost při provozu pod trolejí
Diesel
4
Elektro
Hybrid
3
2
8
1
6
200km/h
140 km/h
160 km/h
6
160 km/h
Zvláštností je návrh použití setrvačníkového „akumulátoru energie“ (Obr. 28), který u variant
se spalovacím motorem může „uložit“ energii, generovanou při brzdění trakčními motory.
Jeho parametry jsou: maximální výkon 300 kW, 25000 ot/min. maximální uložená energie 6
kWh.Ta pak může sloužit například
•
•
•
•
•
pro snížení hlučnosti při odjezdu z nádraží,
pro zvýšení urychlení při rozjezdu,
pro úspory paliva při požadavku na plný výkon spalovacího motoru,
pro jízdu na (krátkých) úsecích, kde je třeba omezit zplodiny,
pro napájení pomocných pohonů při odstaveném spalovacím motoru.
Výkon motoru 190 kW, výkon dieselagregátu 338 kW, hmotnost 6 vozové jednotky se
spalovacími motory 137 t.
Obr. 28 Setrvačníkový akumulátor energie LIREX. (setrvac.tif)
- 27 -
5. Pomocný pojezd a vozidla speciální
5
Pomocný pojezd a vozidla speciální
Na rozdíl od předešlých vozidel se u pomocného pojezdu zpravidla předpokládá jízda pouze
samotného (neobsazeného) vozidla na krátké vzdálenosti, po rovině a malou rychlostí
(zhruba krokem). Jako zdroj se používá nejčastěji vozidlová baterie nebo vnější zdroj, při
čemž se však energie nepřivádí přes sběrač nýbrž kabelem.
U vozidel se stejnosměrnými sériovými motory je obvodové řešení jednoduché: obyčejně je
jeden z motorů je připojen přes odpojovače na vozidlovou baterii. Velikost tažné síly je dána
maximálním proudem baterie (její Ah kapacitou), napětí baterie musí především překonat
při tomto proudu úbytky napětí v obvodu včetně těch, které lze jinak zanedbat (kartáče,
přechodové odpory, kabely atd.). Zatímco kapacitu baterie lze v případě nutnosti zvýšit, na
její napětí je vázána celá slaboproudá výzbroj vozidla. Proto při malém napětí baterie (24 V,
48 V) jsou možnosti omezené. Dosažitelná rychlost je pak dána napětím, které „zbyde“ po
odečtením úbytků (jde o sériový motor) a jízdními odpory. Ty však po počáteční fázi jízdy
(„utržení z klidu“) dosti podstatně poklesnou, takže kritickým okamžikem je právě rozjezd
z klidu.
Obr. 29 Pojezd z cizího zdroje při pohonu sériovým a asynchronním motorem (pomj.dwg)
Podobně lze pojezd realizovat z cizího zdroje přes zásuvku na spodní části vozidla (např. ze
svářecího agregátu), který je připojen zevně kabelem (Obr. 29 vlevo pro lokomotivu na 3
kVss). Pak jsou vlastnosti vozidla dány tímto zdrojem.
Ve všech případech je nutno spolehlivě vyloučit připojení vozidla na trolej při pomocném
pojezdu.
Provedení pomocného pojezdu u vozidel s cize buzenými stejnosměrnými motory je obtížné
resp. složité, protože je třeba mít dva zdroje, z toho alespoň jeden regulovatelný.
U vozidel s asynchronními trakčními motory a napěťovými střídači je řešení opět
principiálně jednoduché (předpokládají se součásti, jejichž vypínací schopnosti nejsou na
napětí závislé). Pak se baterie nebo vnější stejnosměrný zdroj připojí na meziobvod a zařízení
pracuje podobně jako při jízdě (Obr. 29 vpravo). Vzhledem k úbytkům ve střídači jsou
požadavky na napětí zdroje větší než v předešlém případě.
Na závěr uvedeme ještě Obr. 30, kde ukázáno komplexní řešení několika úkolů:
•
při normální jízdě je pomocná stejnosměrná síť pro napájení pomocných pohonů napájena přes střídač,
transformátor, usměrňovač a filtr,
- 28 -
Obr. 30 Pomocný pojezd kombinovaný s napájením pomocných pohonů v depu (pomj.dwg)
•
•
pro zkoušení pomocných pohonů a dobíjení baterie mimo trolej (v depu, dílnách, na odstavné koleji) lze
stejnosměrnou pomocnou síť vytvořit třífázovým usměrňovačem z vnější standardní třífázové sítě 3x380 V,
50 Hz kabelem ze stojanu a
stejným způsobem lze po připojení pomocné sítě k trakčnímu meziobvodu umožnit pojíždění na krátké
vzdálenosti (vlastní řízení střídačů se od provozního prakticky neliší).
Za speciální vozidla můžeme považovat vozidla, která jsou určena pro zvláštní účely nebo
používají jiná technické řešení. Některá z nich byla uvedena v díle 1. Úvod v ETR I,
především pro stavební a jiné práce. Sem patří též pojízdné stroje pro práce na svršku
(podbíječky, čističe štěrkového lože), jeřáby, vozidla pro kontrolu a opravy trolejového
vedení, pro kontrolu a měření geometrie koleje atd., které často mají vlastní pohon, většinou
ovšem nezávislý. Naopak o závislém pohonu jednotlivých nákladních vozů se již uvažuje
řadu let. Na tomto místě upozorníme na některé další příklady, z nichž některé již spadají
spíše mimo oblast elektrické trakce, i když mohou mít některé rysy nebo technická řešení
obdobná:
•
•
•
•
•
•
•
Vozidla ozubnicové železnice, která se užívají pro překonání velkých sklonů (100 a více 0/00), kde se již
nevystačí s přenosem tažné síly adhezí. Na úsecích s menšími sklony používají přenos sil adhezí.
Mimořádná pozornost se musí přirozeně věnovat brzdění, někdy i elektrickému.
Lanové dráhy s vozidly na kolejích, tažených lanem, užívané v podobných případech, ale pouze na
jednoduché trati. Po elektrické stránce se jedná spíše o zdvihací zařízení nebo malý těžní stroj, který je
ovšem stacionární.
Visuté lanové dráhy jsou po stránce pohonu obdobné předchozímu případu, k trakci má ovšem poněkud
blíže doprava osob v kabinách, zavěšených na jediném nosníku („kolejnici“) - „Monorail“. Pohon může být
i individuální. (Podobné dopravníky v malém se ovšem běžně používají v průmyslu i s automatickým
řízením).
Moderní variantou předešlého jsou „vozidla“, využívající pro nesení, vedení na dráze i pohyb magnetické
pole. Jde o pohon neadhezní, umožňuje proto velká zrychlení i zpomalení. Řada více méně pokusných tratí
je již delší dobu v provozu. Propojení měst Hamburk-Berlín se již připravuje.
Elektromobily jsou již řadu let v centru pozornosti vývojářů na celém světě, ale nezdá se, že by tato vozidla
mohla ve větším měřítku konkurovat vozidlům se spalovacím motorem. Po technické stránce je základní
překážkou skutečnost, že zřejmě nelze postavit akumulátor elektrické energie (v obecném smyslu), který by
se zásobou energie, cenou a hmotností mohl přiblížit nádrži s palivem.
Poměrně blízko k železničním vozidlům mohou mít pohony velmi těžkých nákladních vozidel a
stavebních strojů se spalovacím motorem a elektrickým přenosem. Liší se především celkovou
konstrukcí, adhezními vlastnostmi, často pohonem na jednotlivá kola a pracovním prostředím, jinak jde o
systém obdobný např. posunovacím motorovým lokomotivám a to i co do výkonu.
Vozidla napájená přímo z třífázové troleje, podobně jako pojezd velkých jeřábů buď z třífázové troleje
nebo odvíjeným a navíjeným kabelem.
V tomto výčtu možností by bylo možno dlouho pokračovat, to však není naším cílem. Šlo jen
o to ukázat hraniční oblasti, kde se elektrická trakce stýká s ostatními příbuznými obory.
- 29 -
- 30 -
6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel
6
Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel
Základní rozdíl mezi nezávislými a závislými vozidly spočívá v tom, že nezávislá vozidla si
musí potřebnou energii vézt sebou a která je proto vždy omezená. Z toho plyne, že tato
vozidla
•
•
•
mají při stejné hmotnosti (a i jinak obdobném provedení) menší výkon (část hmotnosti představuje
zásobník energie - akumulátory nebo palivo a vlastní zdroj elektřiny),
mají omezený akční rádius (dojezd) resp. trakční práci (tkm)
a proto je jejich řešení podřízeno především maximálnímu využití možností primárního zdroje.
Nezávislý zdroj určuje hlavní parametry vozidla.
6.1 Zdroje pro nezávislá vozidla
Jako zdroje pro kolejová vozidla přichází v úvahu především akumulátor a spalovací motor
s generátorem, pro zvláštní účely (provoz v prostorách s nebezpečím výbuchu - doly,
chemické závody ap.) také vozidla se zásobníkem stlačeného vzduchu nebo páry, označovaná
také jako akumulátorová (ovšem bez elektrického přenosu). Další zdroje jsou buď již historií
(parní stroj) nebo jim (snad) patří budoucnosti (plynová turbina, palivové články [0]).
V současnosti se objevují řešení s akumulací energie v speciálních kondenzátorech (firemní
označení superkapacitory, ultrakapacitory apod.), které se vyznačují mimořádnou kapacitou
v tisících F, ovšem při napětí asi 2 V. Jejich využití v trakci je variantou resp. doplněním
rekuperace, především u vozidel nezávislých, kde není rekuperace možná, ale i v mnoha
dalších případech ([0], [0]).
Dále se zmíníme pouze o vozidlech akumulátorových a vozidlech se spalovacím motorem a
elektrickým přenosem výkonu. Pro základní porovnání může sloužit Tab. 3, udávající
základní energetické a trakční charakteristiky vztaženo na 1000 kg hmotnosti zdroje energie
(jedná se o řádové výpočty).
U soustrojí spalovací motor-generátor je třeba vzít v úvahu hmotnost soustrojí+hmotnost
paliva. Pro výpočet byly použity přibližné vztahy: zásoba paliva [kg]=2,5*výkon spalovacího
motoru [kW] a měrná hmotnost soustrojí pro moderní konstrukce 600 W/kg.
Pro akumulátory byly použity parametry nikl-kadmiových akumulátorů Ferak Raškovice,
které jsou na ČD používány (pro napájení řízení, osvětlení atd.), podle firemních podkladů.
Odtud je vidět, že pro standardní provoz na vlacích přichází v úvahu jako zdroj energie
pouze nafta a spalovací motor. Pouze tam, kde je na závadu hluk, exhalace, nebezpečí
znečištění naftovými produkty ap. (v budovách, čistých provozech, tunelech) se používají
akumulátorová vozidla.
- 31 -
Tab. 3 Porovnání zdrojů pro nezávislá vozidla
Zdroj
Hmotnost zařízení
Hmotnost paliva
Využitelná energie (v elektrické formě)
Spalovací motor
400
(motor 240kW)
600
Akumulátor
1000
(NiCd)
-
2400
(250g/kWh)
20
kWh
80
12,8
20
6,4
km/h
Wh/tkm
187500
500
3125
150
tkm
t
375
21
km
Předpokládaná rychlost vozidla
Měrná spotřeba pro jízdu na rovině bez rozjezdů
Trakční práce pro jednu náplň/nabití
Předpokládaná hmotnost soupravy
Dojezd při jízdě předpokládanou rychlostí
kg
kg
6.2 Akumulátorová vozidla
Akumulátor jako nezávislý zdroj pro trakci zajišťuje čistý a tichý provoz s možností
rekuperace (která je z důvodů prodloužení dojezdu velmi cenná), avšak velká hmotnost
baterií zásadně omezuje jejich výkonnost a dojezd. Počet cyklů nabití/vybití významně
omezuje dobu života akumulátorů, při čemž se stárnutím a při poklesu teploty se značně
snižuje kapacita baterie.
Intenzivní vývojové práce, související s elektromobily (a ovšem se speciální vojenskou a
kosmickou technikou) zatím nepřinesly zásadní průlom v tomto směru resp. jen při
nákladech a dalších okolnostech, které jejich použití v dopravě omezují.
Schéma zapojení trakčních obvodů odpovídá podle použitých trakčních motorů zapojením
popsaným u vozidel závislých. S ohledem na maximální využití energie v akumulátorech se
volí co nejúspornější schéma, často stejnosměrný motor s pulzní regulací. Větší počet
spínacích přístrojů při tom nemusí být na závadu, nejedná se obyčejně o velká napětí a
proudy.
Akumulátor je jako zdroj téměř ideální, při návrhu je však třeba počítat s tím, že jeho napětí
nelze „vypnout“, pouze lze některé části obvodu odepnout. Pro práci na baterii je proto třeba
vhodným přístrojem rozpojit baterii na takové části, aby jejich napětí nepřekročila hodnotu
napětí bezpečného z hlediska doteku (práce pod napětím při údržbě, dolévání vody, kontrole
elektrolytu a vývodů ap.). Napětí baterie se obyčejně volí (podle výkonu) okolo 440V.
Z trakční baterie se také napájejí nezbytné pomocné pohony (kompresor, ev. další).
Vozidla mají zpravidla také nabíjecí zařízení. Nabíjí se buď ze standardní třífázové sítě
nabíječem, u větších vozidel zpravidla umístěným na vozidle jako jeho součást. Nabíjení se
pak provádí při stání u příslušných stojanů s vývody. Pokud se lokomotiva provozuje alespoň
po určitou dobu pod trolejí je možno baterii nabíjet z troleje přes sběrač a potřebné zařízení.
Tím se ušetří zařízení v kolejišti a doba pro zajíždění k nabití. Nabíjení lze provést
v přestávkách provozu. Zařízení vozidla je složitější, může ale umožňovat i „závislý provoz“
tj. jízdu při napájení z troleje a (současném) nabíjení.
Jako příklad uvedeme akumulátorovou posunovací lokomotivu ČKD typ A 219.0 [0]. Schéma
trakčních obvodů je na Obr. 31. Její hlavní parametry jsou: uspořádání náprav Bo, hmotnost
40 t, maximální rychlost 60 km/h, kapacita trakční baterie 192 kWh, výkon při jízdě 165 kW,
při brzdě 415 kW, max. tažná síla 71 kN, nabíjení ze sítě 3x380 V, 63 A.
Lokomotiva je poháněna dvěma sériovými komutátorovými trakčními motory přes pulzní
měnič v zapojení „se zkříženými diodami“, tyristorovým šentováním, rekuperací do trakční
baterie a odporovou brzdou.
Na Obr. 32 je diagram výkonů a ztrát, naměřený při posunu na posunovacím nádraží Vídeň-
- 32 -
Kledering, který poskytuje velmi dobrý přehled o možnostech lokomotivy mj. také s ohledem
na provozní využití: Nabíjení 3,3 hod., doba provozu 6,3 hod., ujetá dráha 18 km, v reálném
provozu. Energie v baterii odpovídá asi 100 kg paliva (nafty).
Obr. 31 Zjednodušené schéma trakčních obvodů lokomotivy A 219.0 (aku_sch.bmp )
Označení v Obr. 31:
GB..trakční baterie, LF1..tlumivka filtru, CF1..kondenzátor filtru, RB1..brzdový odpor,
VS3..tyristor pro řízení brzdy, VD1..dioda, MT1, 2..trakční motory, KM10..trakční stykače,
KM11-22..měnič směru, KM51..stykač nabíjení, LV2..vyhlazovací tlumivka nabíječe,
GU50..usměrňovač nabíječe, LV1..vyhlazovací tlumivka, VD2..dioda, VD0..zpětná dioda,
RS..šentovací odporník, VS1 hlavní tyristor, VS2..šentovací tyristor
- 33 -
Obr. 32 Energetická bilance lokomotivy A 219.0 při předváděcí jízdě na posunu ve stanici VídeňKledering (aku_energ.bmp)
6.3 Vozidla se spalovacím motorem a elektrickým přenosem
Motorové trakci se budeme věnovat jen povšechně a tak, aby zřetelně vynikly rozdílné
požadavky na elektrickou trakční výzbroj s ohledem na vlastnosti spalovacího motoru a
z toho plynoucí vlastnosti vozidel. Proto se v nejstručnější formě zmíníme o základních
vztazích, které souvisejí s prací spalovacího motoru. Podrobný výklad ve vztahu k vozidlům
lze nalézt např. v [0].
Podobně budeme alespoň rámcově sledovat základní způsoby řízení a regulace soustrojí
spalovací motor - generátor, neboť bezprostředně souvisí i s činností a řízením trakčních
motorů (např. šentování) a vlastnostmi vozidla jako celku.
6.3.1 Vlastnosti spalovacího motoru
Mechanický výkon se v motoru získává spalováním paliva, smíšeného se vzduchem ve
válcích motoru. Palivo se mísí se vzduchem buď mimo válec v karburátoru (zážehové „benzinové“ motory - směs se nasává nebo se palivo vstřikuje přímo do válce a ve vhodný
okamžik se zapaluje elektrickou jiskrou), nebo se nasává pouze vzduch, který se při kompresi
ohřeje na takovou teplotu, že zapálí palivo, které se do válce ve vhodný okamžik vstříkne
(vznětové - „naftové“, „dieselové“ motory). Pro velké výkony a když záleží na hospodárnosti
a dlouhodobé spolehlivosti provozu se dává přednost motorům vznětovým.
Podle toho, zda se palivo dodává do válce v každé otáčce motoru nebo při každé druhé otáčce
se rozeznávají motory dvoutaktní nebo čtyřtaktní. Je zřejmé, že výkon dvoutaktního motoru je
při stejném obsahu teoreticky dvojnásobný, jeho využití paliva a tedy i měrná spotřeba je však
vyšší a účinnost nižší než u motorů čtyřtaktních.
Velikost spalovacího motoru daného výkonu (podobně jako u elektrických motorů) závisí na
otáčivé rychlosti. Motory pomaluběžnější jsou sice těžší, ale mají delší životnost.
Protože u trakčních vozidel převažují požadavky na spolehlivost a nízkou spotřebu setkáváme
se u nich nejčastěji se vznětovými čtyřtaktními spalovacími středněotáčkovými motory.
Děje při přeměně chemické energie v mechanickou ve válci spalovacího motoru popisuje
indikátorový diagram (Obr. 33 a), jako závislost tlaku ve válci na pohybu pístu.
Obr. 33 Indikátorový diagram čtyřdobého nepřeplňovaného spalovacího motoru (indik.dwg)
Jednotlivé fáze jsou v Obr. 33a) popsány. Pro určení momentu motoru se určí nejprve střední
indikovaný tlak podle Obr. 33 b) pomocí integrace tlaku v závislosti na poloze pístu
v průběhu celého cyklu. Rozdíl integrálu tlaku při sání a výfuku závisí na tlakových ztrátách
v nasávacím a výfukovém potrubí (předpokládáme zatím motor nepřeplňovaný), je malý (a
- 34 -
záporný). Rozdíl mezi tlakem při kompresi a expanzi je dán spálením paliva a je rozhodující
(kladnou) částí středního indukovaného tlaku. Střední tlak tedy závisí v první řadě na
množství dodaného paliva (a na řadě dalších okolností, které je třeba hledat v literatuře).
Střední síla F1 je dána středním indikovaným tlakem pis působící na ploše S a je tedy
r. 1
F1 = S pis
[N, m 2, Pa ]
Práce, vykonaná v průběhu jednoho zdvihu o délce  je pak
r. 2
W1 =  F1 = S pis
[Ws, m, m 2 , Pa]
Při otáčivé rychlosti n a počtu válců i je pak zřejmě teoretický výkon pro čtyřdobý motor
r. 3
P = i W1
1 n
p n V p n
= ( i S  ) is = z is
2 60
120
120
[W , m3 , ot / min . ]
kde Vz = i S  je zdvihový objem motoru.
Vzorec r. 3 nebere v úvahu řadu ztrát, takže skutečný výkon motoru na hřídeli bude menší,
my se však spokojíme s konstatováním, že výkon motoru je závislý
•
•
•
na zdvihovém objemu, který je dán konstrukcí motoru,
na středním indikovaném tlaku, který je závislý především na množství paliva a
na otáčivé rychlosti motoru.
Výkon spalovacího motoru se udává pro nejvyšší provozní otáčivou rychlost a tomu
odpovídající množství paliva. Moment motoru je zřejmě (se stejnými výhradami jako k r. 3)
r. 4
M=
P 30 P
1
=
=
Vz pis
ω
π n
4π
Moment daného spalovacího motoru je tedy v prvé řadě závislý na množství dodávaného
paliva. To je ovšem omezeno množstvím nasátého vzduchu, potřebného pro jeho spálení
(ve skutečnosti ho musí být určitý přebytek) a proto moment (a výkon) motoru lze zvýšit tím,
že se vzduch do válců nesaje, nýbrž vhání turbodmychadlem - hovoříme pak o motorech
přeplňovaných. Jejich střední indikovaný tlak a tedy i moment je při stejném zdvihovém
objemu větší, např. 1,5...2x.
Řídicí veličinou spalovacího motoru je tedy množství paliva, které se zpravidla řídí
palivovou pákou s vhodným servopohonem. Otáčivá rychlost pak závisí na zátěži.
Otáčivá rychlost je omezena jednak jmenovitou otáčivou rychlostí (=nejvyšší provozní
otáčivá rychlost), jednak otáčivou rychlostí při volnoběhu, při níž moment motoru (přiváděné
palivo) stačí právě na krytí ztrát v motoru a zajistí ještě jeho plynulý chod. Poměr jmenovité a
volnoběžné otáčivé rychlosti bývá asi 1:0,4.
Řada dalších provozních omezení souvisí především s teplotou resp. chlazením a mazáním.
- 35 -
Obr. 34 Charakteristika ("vajíčkový diagram") spalovacího motoru (vajicko.bmp)
Úplná charakteristika spalovacího motoru udává závislost středního indikovaného tlaku
(odpovídá momentu) na otáčivé rychlosti s tím, že nulovému momentu odpovídá množství
paliva při volnoběhu. Čáry stálého výkonu jsou proto rovnoosé hyperboly.
Do charakteristik se zakreslují také další informace, především o omezení provozních režimů
a čáry stálé měrné spotřeby paliva v g/kWh, které mají tvar soustavy oválů, v jejichž středu
je bod optimálního režimu z hlediska účinnosti. Příklad charakteristik a omezení je na Obr.
34.
Jednotlivá omezení představují:
•
•
•
•
•
λ omezení množstvím (přebytkem) vzduchu,
pumpovní mez - rozumí se turbodmychadla,
pmax odpovídá maximálnímu tlaku ve válcích,
ntp maximálním otáčkám turbodmychadla a
čárkovaná čára mezi kouřivosti.
Nejjednodušší způsob řízení a zároveň základní článek všech složitějších způsobů je
regulace otáček podle schematického diagramu na Obr. 35. Pokud je zadání otáčivé rychlosti
konstantní, musí to být pro využití jmenovitého výkonu spalovacího motoru otáčivá rychlost
jmenovitá (=maximální provozní).
Obr. 35 Schéma otáčkové regulace spalovacího motoru (de_riz.dwg)
Pracovní bod se pak v poli charakteristik pohybuje po přímce podle schématického Obr. 36,
zřejmě daleko od optimálních režimů. Pro vozidla se nehodí, používá se například na
- 36 -
soustrojích s alternátorem, která slouží jako mobilní zdroj nejčastěji 3x380 V, aby bylo
dosaženo požadovaného a (přibližně) stálého kmitočtu. Tento požadavek se na vozidle může
vyskytnout např. při napájení topení vlaku napětím o konstantním kmitočtu, např. 162/3 Hz.
Na moderních vozidlech se tento požadavek řeší jednofázovým střídačem, napájeným
z meziobvodu.
Obr. 36 Pracovní oblast spalovacího motoru při stálých (jmenovitých ) otáčkách (de_sch2)
Vlastnosti spalovacího motoru tak jak byly stručně popsány nejsou vhodné pro přímý
pohon náprav (jako například motory elektrické), protože nemohou pracovat (dávat
moment) od nulové rychlosti, nýbrž pouze v omezeném rozsahu a prakticky nejsou
přetížitelné. Proto je nutno vložit mezi spalovací motor a nápravy zařízení, které dodá
vozidlu potřebné vlastnosti a při tom optimálně využije možnosti spalovacího motoru.
Pro přehled uvedeme jen jejich hlavní druhy, základní charakteristiky a typické použití.
•
•
•
Mechanická vícestupňová převodovka se spojkou je obdobou automobilového provedení. Přenos se
vyznačuje dobrou účinností, otáčky motoru v rámci jednoho převodového stupně jsou přímo úměrné
rychlosti vozidla, jmenovité otáčky spalovacího motoru a tedy i výkon nemůže být plně využit (jeho využití
závisí na počtu převodových stupňů), při řazení dochází k poklesu momentu. Zařízení motoru, spojky,
převodovky a nápravy jsou konstrukčně přímo vázána. Používají se především pro vozidla menších
výkonů, kde lze využít komponent ze silničních vozidel.
Hydrodynamická převodovka v kombinaci s převodovkou mechanickou (viz např. [0]). Předností
tohoto řešení je plynulý přechod mezi jednotlivými stupni, jsou lehčí a mají méně opotřebujících se dílů.
Používají s hojně pro vozidla menších i středních výkonů.
Elektrický přenos umožňuje splnit všechny požadavky vzhledem k trakčním vlastnostem i vzhledem
k požadavkům spalovacího motoru, ovšem za cenu nižší účinnosti (dvojí přeměna energie). Uvolňuje ale
konstrukční vazbu mezi spalovacím motorem s generátorem a trakčním motorem na nápravě. Používá se
pro vozidla od středních výkonů výše a pouze jím se budeme v dalším zabývat.
Kromě uvedených základních typů existuje i řada dalších kombinací, z nichž některé byly již
zmíněny v kapitole o vozidlech hybridních.
Podle Obr. 34 lze určitý (potřebný, požadovaný) výkon (=hyperbola v Obr. 34) dosáhnout pro
různé dvojice hodnot palivo-otáčky, které se ale liší velikostí spotřeby. Pro každou hodnotu
výkonu existují optimální otáčky s minimální možnou spotřebou. Při elektrickém přenosu
výkonu, kdy otáčky spalovacího a trakčního motoru nejsou navzájem vázány to umožňuje
spotřebu minimalizovat. Je ovšem třeba poznamenat, že měrná spotřeba je závislá na
mnoha dalších okolnostech (teplota, tlak a vlhkost vzduchu atd.), které v provozních
poměrech nelze obyčejně zohlednit.
6.3.2 Stejnosměrný elektrický přenos a jeho řízení
Elektrický přenos, lépe řečeno celé trakční soustrojí, protože výsledné vlastnosti závisí
významně také na vlastnostech a způsobu řízení spalovacího motoru má splnit při zadaných
trakčních požadavcích dva zásadní úkoly
- 37 -
•
•
přizpůsobit charakteristiku zátěže spalovacího motoru tj. příkon hlavního generátoru možnostem a
omezením spalovacího motoru a
dosáhnout toho při co nejlepší celkové účinnosti, především při co nejmenší spotřebě spalovacího motoru.
Zjednodušená schémata trakčních obvodů se stejnosměrným přenosem jsou na Obr. 37.
Obr. 37 Varianty elektrického přenosu se sériovými trakčními motory (de_sch1.dwg)
V první variantě a) pohání spalovací motor (SM) speciální trakční dynamo (HG) a obyčejně
budič (B). Dynamo i budič mají několik budicích vinutí, která trakčnímu dynamu dávají velmi
měkkou napěťovou charakteristiku. Trakční dynamo slouží zároveň jako startér spalovacího
motoru.
Zapojení trakčních motorů je standardní s několika (často jen dvěma) šentovacími stupni.
U varianty b) je složitý budič s mnoha budicími vinutími nahrazen trakčním dynamem.
Jeho buzení je napájeno z napětí pro trakční motory přes pulzní měnič a řízeno regulátorem
(BM).
Ve variantě c) je trakční dynamo nahrazeno alternátorem s budičem (a regulátorem, který
není nakreslen). Třífázový diodový můstkový usměrňovač pak napájí trakční motory, jejichž
zapojení je v podstatě ve všech třech případech obdobné. Toto zapojení se nazývá střídavěstejnosměrný přenos na rozdíl od čistě stejnosměrného přenosu v případě a) a b).
Hlavní výhodou uspořádání podle Obr. 37c) je, že alternátor má výrazně nižší hmotnost (asi
o 30%), moment setrvačnosti a rozměry a nemá komutátor (údržba), buzení lze zajistit
bezkontaktně (budič s rotujícím usměrňovačem). Nelze ho ovšem použít pro startování,
spalovací motor musí mít startér, má větší spotřebu pro buzení a navíc je nutný usměrňovač.
Pro ovládání vozidla strojvedoucím se ustálilo zadávání výkonových stupňů (přesnější by
bylo otáčkových, výkon bývá jen omezován), v poměrně malém počtu (často 8 stupňů). To je
umožněno tím, že reakce spalovacího motoru, trakčního dynama a jeho buzení je
pomalá, takže přechod mezi stupni je prakticky plynulý.
Dále uvedená schémata jsou doplněna o řídicí obvody, které jsou převedeny do
přehlednějšího vyjádření, běžného při popisu elektrických regulačních obvodů. Skutečné
regulátory u těchto vozidel jsou komplikovaná mechanicko-hydraulicko-elektrická
zařízení.
Konkrétní provedení elektrického přenosu se vyvíjelo podobně jako u vozidel závislých.
V následujícím výkladu popíšeme stručně několik motorových lokomotiv ČKD a jejich
elektrické výzbroje podle [0] a [0]. Vyznačují se použitím stejnosměrných sériových motorů,
které jsou napájeny z trakčních dynam. Vývoj se týkal především způsobu řízení otáček
spalovacího motoru a napětí trakčního dynama.
Pro motorový vůz 830 (M 262) bylo použito zapojení podle Obr. 38.
- 38 -
Obr. 38 Regulační a trakční schéma (potlačení otáček - M262) (potlac.dwg)
Průběhy, které charakterizují tento způsob řízení napětí jsou na Obr. 39. Vnější napěťová
charakteristika generátoru odpovídá požadavkům pouze v bodech A, B. Mezi nimi by byl
spalovací motor přetížen, takže dojde ke snížením otáčivé rychlosti a tím i napětí a příkonu
trakčního dynama. Tomu ovšem odpovídá i snížení (nevyužití) výkonu spalovacího motoru.
Mimo tento rozsah jsou naopak jeho otáčky poněkud vyšší, protože (mechanický) regulátor
otáček má proporcionální charakter.
Lepšího přiblížení napěťové charakteristiky k hyperbole stálého výkonu spalovacího motoru
se dosáhne použitím diferenciálního budiče. Zapojení a řízení je na Obr. 40 a bylo použito
např. u lokomotiv ř. 720 (T 435.0), 721 (T 458.1), 775 (T 678.0) a 776 (T 679.0).
Obr. 39 Průběhy veličin při potlačení otáček (de_cha.dwg)
- 39 -
Obr. 40 Schéma s diferenciálním budičem (digbud.dwg)
Diferenciální budič je speciální dynamo (má přesycený můstek v hlavních pólech)
s charakteristikou podle Obr. 41, která odpovídá i napěťové charakteristice dynama. Je
zřejmé, že potlačení otáček lze konstrukcí a vhodným nastavením prakticky vyloučit. Uplatní
se ovšem vlivy výrobních odchylek u jednotlivých strojů, různá teplota jednotlivých vinutí a
vliv hystereze.
Obr. 41 Průběhy veličin při použití diferenciálního budiče (de_cha.dwg)
Na posledních typech lokomotiv byl používán sdružený regulátor otáček a buzení, který
používá diferenciální budič, ale jeho cizí buzení reguluje v závislosti na režimu spalovacího
motoru.
Byl použit např. u lokomotiv ř. 751 (T669.0), 753 (T478.3) a 770 (T669.0). Zjednodušené
schéma je na Obr. 42.
- 40 -
Obr. 42 Schéma se sdruženým regulátorem (sdrreg.dwg)
Budič je nyní standardní dynamo (s protikompoudním, derivačním a cizím buzením, ale bez
přesycovaného můstku) a jeho základní derivační buzení je odvozeno od nastaveného stupně
(R1). Od nastaveného stupně je také odvozeno omezení paliva. Při požadavku na větší palivo
je od rozdílu odvozeno snížení cizího buzení trakčního dynama (R2). Plnění požadavku na
omezení příkonu dynama se tak řeší v regulátoru, i když opět mechanicko- hydraulickoelektrickém (servomotor) a zároveň se v zásadě respektuje požadavek optimálního
přiřazení otáčivé rychlosti a paliva pro požadovaný stupeň - Obr. 43.
Obr. 43 Poměry při sdruženém regulátoru otáček a buzení (de_cha2.dwg)
Úplné zapojení výkonových obvodů je ve všech případech značně rozmanité a podstatně
složitější, protože kromě trakční spotřeby je třeba řešit také napájení pomocných pohonů,
nabíjení baterie, topení vlaku atd., při čemž se často kombinují různé způsoby (pomocné
generátory, hydraulický přenos, přímý náhon aj.).
Při dalším zdokonalování se postupně přecházelo od „strojové“ regulace k regulaci s
regulátory magnetickými a elektronickými. V této fázi byly obecné vlastnosti přenosu
srovnatelné se závislými vozidly s plynulou regulací:
•
uplatňují se regulační omezení krajních režimů,
- 41 -
•
•
pro řízení se využívá veličina poměrného požadovaného tahu, což umožňuje i
zavádění regulace rychlosti podle VÚŽ a dalších automatizačních prostředků.
6.3.3 Střídavý přenos a jeho řízení
V poslední době se podobně jako u vozidel závislých prosadil přenos střídavý
s alternátorem (v nejnovějších aplikacích s buzením permanentími magnety pro zlepšení
účinnosti) a asynchronními trakčními motory a s proudovými, ale především napěťovými
střídači. Schematické uspořádání takových přenosů je na Obr. 44.
Obr. 44 Střídavý přenos vozidel se spalovacím motorem (de_sch1.dwg)
Zapojení na straně generátoru se v zásadě neliší od přenosu střídavě stejnosměrného.
Při použití proudového střídače podle Obr. 44a) vytváří proudový zdroj regulace řízeného usměrňovače TU a
tlumivka v meziobvodu (T) a ten napájí standardní zapojení proudového střídače a asynchronních trakčních
motorů.
V moderních aplikacích se využívají spíše střídače napěťového typu. Meziobvod je
vytvořen třífázovým diodovým usměrňovačem a kondenzátorem. Obr. 44b). Napětí
meziobvodu ovšem závisí na otáčivé rychlosti a buzení generátoru
V obou případech lze použít i elektrické odporové brzdění, například jak je naznačeno v Obr.
44b). Pokus o využití rekuperačního brzdění byl popsán v kap. pomocí strvačníkového
akumulátoru. O možném využití ultrakondenzátorů byla již zmínka.
Konkrétní příklad univerzální motorové lokomotivy španělských drah řady
311.1s proudovým střídačem je na Obr. 45.
Hlavní parametry lokomotivy jsou: uspořádání náprav Bo´Bo´, výkon spalovacího motoru
MTU 8V 396 TC 13 je 785 kW, hmotnost lokomotivy 80 t, rozjezdová tažná síla 260 kN,
výkon elektrické brzdy 487 kW, maximální rychlost 90 km/h [0]. Výkon trakčního alternátoru
je 690 kW, otáčky 1000...1800 ot/min., napětí 200..930 V. Trakční motor má dva jmenovité
body: 142 kW, 555 V, 200 A, 234 ot/min. a 142 kW, 900 V, 120 A, 2950 ot/min. Elektrická
výzbroj Siemens, řízení procesorové (Sibas 16).
Na Obr. 46 je uvedeno zapojení vozidla BR 610 s napěťovými střídači [0]. Jde o
dvouvozovou motorovou jednotku s uspořádáním náprav 2´(1A)´+(1A)´(A1)´ a hliníkovou
integrální skříní a má hlavní parametry: max. rychlost 160 km/h, vlastní hmotnost 90,2 t, dva
trakční generátory 1FC6352 485 kW, 1100 V, 800..2100 ot/min. a tři asynchronní trakční
motory BAZu.5369/4, 230 kW, 1090 V, 143 A, 1492 ot/min. Zjednodušené schéma řízení
jednotky 610 je na Obr. 47
- 42 -
Obr. 45 Schéma trakčních obvodů motorové lokomotivy 311.1 (sch_311.bmp)
Obr. 46 Schéma pohonu motorové dvoudílné jednotky BR 610 (sch_610.bmp)
- 43 -
Obr. 47 Zjednodušené schéma řízení a regulace BR 610 (reg_610.dwg)
Na rozdíl od předchozích případů je zadávána tažná síla a tento požadavek se zpracovává
v procesorovém systému, který respektuje všechna omezení i požadavek na minimální
spotřebu paliva. Odpovídající pohyb pracovního bodu je schématicky v Obr. 48, který
v porovnání s Obr. 43 ukazuje dosažené zlepšení.
Obr. 48 Pohyb pracovního bodu pro regulaci BR 610 (de_cha2.dwg)
6.3.4 Trakční charakteristiky
Trakční charakteristiky motorových vozidel udávají obyčejně pouze obrys provozních
režimů podobně jako u závislých vozidel s plynulou regulací. Odlišují se od nich v několika
podstatných směrech:
•
•
Požadavek na co nejlepší využití výkonu spalovacího motoru vede k co největšímu poměru mezi
maximální a minimální rychlostí, při nichž je jeho výkon využitelný, trakční motory mají velký poměr
maximálních a jmenovitých otáček (až okolo 10).
Trakční motory proto mají často dva jmenovité body s různými napětími a proudy, ale stejným
štítkovým výkonem (viz údaje provedených vozidel 311 a 610). Protože musí snést větší z obou napětí i
- 44 -
•
proudů mají značně větší typový výkon a proto také větší rozměry a hmotnost než motory pro nezávislá
vozidla stejného výkonu. Chlazení ovšem stačí pro výkon štítkový.
Velký regulační otáčkový rozsah se dosahuje regulací napětí generátoru změnou jeho buzení a změnou
buzení trakčních motorů. Dosažení velkého rozsahu tedy předpokládá velký rozsah odbuzení motorů, což
rovněž vede k nárůstu jejich hmotnosti.
Typická trakční charakteristika je na Obr. 49 i s popisem dějů při rozjezdu při zvoleném
výkonovém stupni.
Obr. 49 Typická trakční charakteristika a režimy (de_cha2.dwg)
Rozjezd začíná s maximální tažnou silou a maximálním proudem motorů, prakticky na
mezi adheze a pokračuje při postupném zvyšování napětí generátoru a výkonu spalovacího
motoru až do dosažení požadovaného výkonu při rychlosti Vmin .
Dále roste napětí motorů a proud se snižuje na hodnotu, odpovídající tažné síle F jm1 při
V jm1; (první jmenovitý bod).
Při dalším rozjezdu se nadále snižuje proud a roste napětí až do dosažení jeho nejvyšší
hodnoty při plném buzení generátoru a otáčkách, odpovídajících výkonovému stupni při
rychlosti V jm 2 (druhá jmenovitý bod).
Napětí generátoru při plném buzení závisí na otáčkách generátoru. Maximální otáčky a
tedy i maximální napětí generátoru odpovídá zřejmě jmenovitému výkonu spalovacího
motoru. Pro dílčí výkony jsou optimální otáčky a tedy i napětí nižší. Proto rychlost, při které
se přechází do odbuzení je pro dílčí výkony nižší než odpovídá (druhému) jmenovitému bodu.
Za čarou odpovídající plnému napětí generátoru se rychlost zvyšuje odbuzováním
trakčních motorů stejně jako u vozidel závislých, zpravidla až do maximální rychlosti.
Motory jsou navrženy tak, aby se omezení odbuzením neuplatňovalo a výkon spalovacího
motoru byl využitelný v celém rozsahu rychlostí od Vmin do Vmax .
Podrobnější rozbor celé problematiky je třeba hledat ve speciální literatuře, která se
většinou soustředí buď na problematiku spalovacího motoru a jeho bezprostředního
příslušenství nebo na elektrickou část včetně generátoru. Způsob řízení a algoritmy pro
novější vozidla jsou kromě toho popisovány v literatuře poměrně vzácně.
- 45 -
7. Literatura
7
Literatura
[0] Seitlinger. W., Bachner T,. Schroedl M.: Traction Transformer for Locomotive 1014 Optimizing Various Requirments, Elin-Zeitschrift 1995 č. 1-2, str.45-52.
[0] Depisch, G.: Die elektrische Ausrüstung der ersten Zweisystem-Lokomotiven der
Baureihe 14E mit Drehstrom-Antriebstechnik fü die Südafrikanischen Eisenbahnen SATS,
ZEV+DET-Glas. Ann. 114 (1990) č. 6, str. 174-184
[0] Karner, R., Leichtfried, H.: Die Innovation: „Brennerlok“ 1822, Neue Bahn 1991, č. 1 str. 25-34, č. 2, str, 2532.
[0] Martin, A., Garcia de Miguel, N.: Elektrische Hochleistungs-Universallokomotive S 252
mit Drehstromantriebstechnik, ETR 39 (1990) č. 12 str. 769-777
[0] Lipp, A.: Modern Traction Equipment for Multisystem High-Speed Vehicles, firemní
publikace
[0] Ketteler, K.H.: Weiterentwicklung der Mehrsystemlokomotiven am Beispiel der Baureihe
E412 der Italienischen Staatsbahnen, ZEV+DET Glas. Ann. 119 (1995) č. 9/10, str. 398-407
[0] Boutonnet, J.-C.:Lokomotive Baureihe 26000 SYBIC der Société Nationale des Chemins
de fer Français, Elektrische Bahnen 92 (1994) č. 1/2, str.38-46
[0] Provost, A.: Dreisystemlokomotive Baureihe 36000 ASTRIDE der Société Nationale des
Chemins de Fer Français, Elektrische Bahnen 95 (1997) č. 8, str.214-221
[0] Gerster, Ch., Mayer, M.: Einrichtung einer Mehrsystystemlokomotive unter de
Gesichtspunkt der Lebenscykluskosten, Institutskollegium am Elektrotechnischen Institut der
Universität Karlsruhe 13.1.2003
[0] Wagner, R.: Drehstromantriebstechnik mit Strom-Zwischenkreisumrichtern für
Lokomotiven, Glasers Annalen 106 (1982) č. 2/3, str. 93..102.
[0] Eisele, M.:Die Zweikraft-Lokomotiven Class 38 mit Drehstrom-Antiebtechnik für
südafrikanischen Eisenbahnen Spoornet, ZEV+DET Glas.Ann. 117 (1993) č. 2/3, str. 70..78.
[0] Kröger, D., Mickel, R., Rogge, S.: Die Akku-Lokomotive AL1, Der Nahverkehr, 1993 č. 7-8, str.47...55.
[0] Šrámek, M.:Dvousilový trolejbus ŠKODA 21 Tr ACI s asynchronní trakčním pohonem,
Dráha č. 4/2000, str. 19-22
[0] Lenhard, D., Engel, B., Langwost, J., Söffker, C.: Elektrische Ausrüstung ds Triebzuges
LIREX Baureihe 618/619 für DB Regio, Elektrische Bahnen 98 (2000) č. , str. 279-289
[0] Steiner, M., Pagiel, S.: Energiespeicher in Schienefahzeugen, ETR (2005), S4 (2005), č.
4, str. 207-214
[0] Hope, R.: UltraCaps win out in energy storage, Railway Gazette International, 2006, č.6,
str. 405
[0] Štěpančík, F., Červinka, D.: Palivový článek v el. trakci, XXI. Sympisium učitelů
Elektrických pohonů SYMEP 2006 Plzeň 13.-15.6.2006
[0] Bucek, J., Pohl, J.: Erkentnisse aus der Erprobung der Akku-Rangierlokomotive A 219.0
(Őko-Lokomotive A 219.0), ETR 43 (1994) č. 11, str. 747-750
[0] Nejepsa, R., Šíba, J.: Kolejová vozidla II, 2. část, skripta ČVUT, Ediční středisko ČVUT
Praha 1986
[0] Brůžek,: Hydrodynamický přenos výkonu trakčních vozidel, Nadas Praha 1969
[0] Uliarczyk, A. a kol.: Elektrická schémata dieselelektrických lokomotiv a motorových vozů, NADAS Praha
1970
[0] Uliarczyk, A. a kol.: Elektrická výzbroj dieselelektrických lokomotiv ČKD, NADAS Praha 1982
0] Eisele, M.:Drehstrom-Antriebstechnik für die dieselelektrischen Lokomotiven der Baureihe 311.1 der
Spanischen Eisenbahnen,Gl. Ann. 114 (1990), č. 7, str. 211-228
[0] Häfner, F.,Maier, M.,Mittmann, U.,Schäfer, L.: Elektrische Ausrüstung der Dieseltriebzüge
Baureihe 610 der Deutschen Bundesbahn, Elektrische Bahnen 91 (1993) č. 7, str. 228-236 a č.
8, str.265-271
- 46 -
7. Literatura
Plzeň 11.11.2007
- 47 -

ELEKTRICKÁ TRAKCE 5. VOZIDLA S VÍCE ZPŮSOBY NAPÁJENÍ

Transkript

Podobné dokumenty

Časopis - Beckman Coulter

02/15 - ACRI

Katalog SR-1 - ESB Rozvaděče

AKCENTA, spořitelní a úvěrní družstvo Výroční

Uživatelská pøíruèka

03-2009 - VLAK-SITE

notifikace tř. 6 c

PNE 33 3201