ELEKTRICKÁ TRAKCE 1 PŘEHLED PROBLEMATIKY

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky Obsah 4.11.2008 ETR120.doc

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 1 PŘEHLED PROBLEMATIKY 2. vydání

Obsah 1

Úvod ................................................................................................................................................. 3 1.1

2

1.1.1

Pohybové zákony............................................................................................................... 4

1.1.2

Výkon ................................................................................................................................. 5

1.1.3

Elektromechanická přeměna ............................................................................................. 5

1.1.4

Napájení ............................................................................................................................. 6

1.1.5

Harmonické, zvlnění .......................................................................................................... 7

1.1.6

"Ohmův" zákon .................................................................................................................. 8

1.2

Trakční mechanika .................................................................................................................... 9

1.3

Metody řešení ......................................................................................................................... 10

1.4

Obecné vlastnosti motorů ....................................................................................................... 11

Uspořádání trakčních vozidel ......................................................................................................... 15 2.1

3

Obecné úvahy ........................................................................................................................... 3

Uspořádání podle použití ........................................................................................................ 15

2.1.1

Trolejbusy ........................................................................................................................ 15

2.1.2

Tramvaje .......................................................................................................................... 16

2.1.3

Podzemní dráha............................................................................................................... 17

2.1.4

Městské rychlodráhy ........................................................................................................ 18

2.1.5

Předměstské jednotky ..................................................................................................... 18

2.1.6

Vozidla pro regionální dopravu ........................................................................................ 20

2.1.7

Lokomotivy ....................................................................................................................... 21

2.1.8

Rychlé soupravy .............................................................................................................. 23

2.1.9

Speciální a drobná vozidla ............................................................................................... 23

2.2

Pojezd ..................................................................................................................................... 26

2.3

Provedení skříně ..................................................................................................................... 29

Uspořádání elektrického pohonu ................................................................................................... 31

-1-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky Obsah

4

5

3.1

Uložení motoru a přenos momentu......................................................................................... 31

3.2

Převody a omezení rozměrů ................................................................................................... 39

3.3

Příklady provedení motorů ...................................................................................................... 44

Trakční soustavy, zdroje energie ................................................................................................... 48 4.1

Stejnosměrná trolej ................................................................................................................. 48

4.2

Střídavá trolej .......................................................................................................................... 48

4.3

Nezávislá a kombinovaná trakce ............................................................................................ 49

Základní parametry vozidel ............................................................................................................ 51 5.1

6

7

Charakteristiky vozidel ............................................................................................................ 52

Interakce s okolím .......................................................................................................................... 60 6.1

Pojezd a kolej .......................................................................................................................... 60

6.2

Sběrač ..................................................................................................................................... 60

6.3

Napájecí síť ............................................................................................................................. 61

6.4

Komunikace ............................................................................................................................ 62

6.5

Zabezpečení ........................................................................................................................... 63

6.6

Elektromagnetické rušení........................................................................................................ 63

6.7

Hluk ......................................................................................................................................... 63

Součásti měničů ............................................................................................................................. 65 7.1

Polovodičové součásti............................................................................................................. 65

7.2

Tlumivky .................................................................................................................................. 66

7.3

Kondenzátory .......................................................................................................................... 67

8

Typická provedení elektrické části vozidel ..................................................................................... 69

9

Literatura ........................................................................................................................................ 70

-2-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod

1 ÚVOD Elektrická trakce je obor, který využívá a kombinuje výsledky řady specializovaných technických oborů. V jejím rámci nelze a ani to není účelné opakovat do hloubky výsledky těchto disciplin. V úvodu poukážeme jen na několik nejobecnějších zákonů a vztahů a pozornost budeme věnovat zdůraznění základních fyzikálních vztahů. Hlavními obory, jejichž výsledků elektrická trakce využívá jsou zejména •

trakční mechanika,

•

teorie a stavba elektrických strojů a přístrojů,

•

výkonová elektronika, řízení a regulace,

•

problematika oteplování a chlazení zařízení,

•

základy procesorové techniky, komunikace, sběru a zpracování signálů,

•

základy mechaniky, konstrukce a stavby vozidel a dalších navazujících oborů,

•

základy sdělovací, zabezpečovací a řídicí techniky v dopravních systémech. Většiny těchto oborů se ovšem dotkneme pouze na úrovni aplikací na vozidlech. Ta sebou

nesou některé specifické okolnosti: •

adhezi jako činitel významně ovlivňující všechny úvahy,

•

elektrické ovládání mechanických brzd

•

umístění zařízení na vozidle (omezení prostoru, hmotnosti a proto vysoké využívání materiálů, otřesy a další mechanické účinky),

•

bezprostřední a zásadní návaznosti na neelektrická zařízení, například na systémy chlazení a mechanické brzdy,

•

dlouhodobý provoz (25 až 40 let) v náročných klimatických podmínkách (teploty, prašnost, vlhkost atd.) při požadavku na vysokou spolehlivost a minimální údržbu a prakticky trvalém pobytu pod širým nebem. Vzhledem k rozsahu není tedy možné a ani účelné zabývat se všemi aspekty v plné míře

teoreticky a do hloubky. Proto má celé zpracování spíše charakter přehledu, výčtu a popisu, založeného na typických řešeních a kombinacích provedených vozidel, především z produkce domácí a okolních států bez nároků na úplnost. Pozornost je věnována především závislé trakci. O nezávislé trakci jsou uvedeny pouze základní poznatky zaměřené na elektrický přenos výkonu. Pro podrobnější údaje je třeba se obrátit na příslušnou literaturu. Vzorce jsou uváděny v jednotkách IS a v takových veličinách, aby bylo omezeno použití numerických konstant (přepočet otáček na úhlovou rychlost ap.).

1.1

OBECNÉ ÚVAHY Úvodem bude užitečné připomenout několik základních fyzikálních zákonů a komentovat je ve

vztahu k dále probírané problematice.

-3-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod 1.1.1

POHYBOVÉ ZÁKONY

Základním zákonem dynamiky je nepochybně Newtonův zákon a výrazy na něj navazující r. 1

[N, kg, m / s ]

F = G.a

2

[ kN,t, m / s ] 2

resp.

Při trakčních aplikacích jde zřejmě o urychlující sílu Fa jako rozdíl mezi tažnou silou na obvodu kol Ft a sil od jízdních a traťových odporů r. 2

F = Fa = Ft − Fo − Fs [ kN ]

Poměr, v jakém se dělí tažná síla na obvodu kol na složku urychlující a na složku pro překonání jízdních a traťových odporů, je charakteristický pro jednotlivé druhy vozidel a je významný pro návrh elektrické výzbroje. Nejvyšší je u lehkých vozidel s vysokou dynamikou, což je charakteristické pro vozidla MHD, nejmenší u posunovacích a nákladních lokomotiv. Jako hmotnost je při nerovnoměrném pohybu třeba uvažovat redukovanou hmotnost, která se vypočte buď jako součet redukované hmotnosti hnacího a tažených vozidel (jejichž koeficient rotačních hmot bývá různý) r. 3

Gr = Gl ξ l + Gv ξv

[t]

nebo jako součet setrvačných hmotností (vlastní hmotnosti vozidel+hmotnost nákladu nebo cestujících) a přepočtené hmotnosti rotujících částí tak, aby platilo J ω 2 = G v 2

r. 4

Gr =

∑G + ∑ i

i

j

ωj Jj  v  j

   

2

2

-1

-1

[kg, kgm , s , ms ]

kde Jj, ωj, vj je moment setrvačnosti, úhlová rychlost a odpovídající rychlost jízdy pro j-tou rotující část. Velikost koeficientu rotačních hmot je pro různá vozidla charakteristická. Největší je u univerzálních lokomotiv, poměrně nízká je u rychlých jednotek (ucelená souprava, vysoká vlastní hmotnost vzhledem k počtu cestujících), nejnižší u vozů. Z definice zrychlení plynou elementární vztahy pro konstrukci časových a dráhových tachogramů t

r. 5

v (t ) = v 0 + ∫ a (t )dt 0

t

r. 6

L(t ) = L0 + ∫ v (t )dt

[ m / s, m / s ] 2

[ m, m / s ]

0

Navíc se v trakci používá veličina b označovaná jako "trhnutí" (německy "rück", anglicky "jerk"), která se definuje jako změna zrychlení. Ta odpovídá rychlosti změny urychlující síly r. 7

b (t ) =

da 1 dFa d 2v d 3s = = = d t Gr dt d t2 d t3

[ m / s ,N / s] 3

V jiné souvislosti se Newtonův zákon uplatňuje ve vazbě na setrvačné síly, které vznikají působením kmitání a rázů při jízdě a které namáhají například upevnění všech částí od trakčních -4-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod motorů až po součásti procesorů. Odtud plyne význam vypružení resp. vliv umístění zařízení na více či méně odpružených částech vozidla pro konstrukci těchto zařízení. Pro upevnění se obyčejně předepisuje odolnost proti rázům 3g ve všech směrech a navíc 5g jako ráz v podélném směru. Zrychlení nevypružených hmot ve svislém směru může například na ložiskových domcích dosahovat až 30 ...50g. Zvlášť nebezpečné mohou být rezonanční jevy různého původu. 1.1.2

VÝKON

Výkon je nepochybně významnou charakteristikou zařízení a v trakci se s jeho vyjádřením setkáváme jednak v podobě mechanické, jednak elektrické. V obou případech máme zpravidla na mysli střední hodnotu okamžitého výkonu. Význam má ale i výkon okamžitý, resp. střídavá složka výkonu. Výkon (činný) v jednotlivých místech jeho přenosu z troleje na obvod kola nebo na hák se liší o ztráty, které při předběžných výpočtech můžeme odhadovat podle účinnosti ve jmenovitém bodě. Při orientačních úvahách lze v některých případech ztráty zcela zanedbat, zvláště, pokud je jejich vliv menší než neurčitost hlavních veličin. Výsledky jsou pak přehledné a snadno kontrolovatelné. Výkon nás zajímá především ve dvou souvislostech: •

jako elektrický výkon, který se v trakčním motoru mění ve výkon mechanický,

•

jako elektrický výkon, který odebírá vozidlo ze zdroje, především z troleje.

1.1.3

ELEKTROMECHANICKÁ PŘEMĚNA

Pro střední hodnotu elektrického výkonu, který je dodáván trakčním motorům, většinou zprostředkovaně, buď z troleje nebo z nezávislého zdroje, generátoru nebo baterie, platí obecně

r. 8

P=

1 T

T

∫

p(t ) dt =

0

1 T

T

∫ u (t ).i (t ) dt 0

Pokud zanedbáme ztráty, mění se tento elektrický výkon ve výkon mechanický na hřídeli motoru a obdobně pro něj platí

r. 9

P=

1 T

T

∫

p (t ) dt =

0

1 T

T

∫ m (t ).ω (t ) dt 0

Pokud jsou moment a otáčky stálé, nebo počítáme li se středními hodnotami, platí r. 10

P = M.ω = F .v =

FV 3,6

[kW , kNm, rad / s ]

resp.

[kW , kN, m / s ]

resp. [kW , kN, km / h ]

Pokud systém přenosu neobsahuje součásti schopné akumulovat energii (indukčnosti, kapacity, pružnost ap.), nebo je tato schopnost zanedbatelná a zároveň zanedbáme ztráty, musí platit i rovnost okamžitých výkonů na straně elektrické a mechanické r. 11

u (t ).i (t ) = m (t ).ω (t )

-5-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod Protože úhlová rychlost motoru (otáčky) se vzhledem k velké setrvačnosti mění v běžných případech relativně pomalu (výjimku mohou představovat poměry při prokluzu nebo smyku), projevuje se eventuální kolísání okamžitého přiváděného výkonu kolísáním momentu. Vzniká zvlnění momentu, které za jistých okolností může mít závažné důsledky. Připomeňme ještě, že když vyjádříme veličiny ve výrazu pro moment prostřednictvím prostorových vektorů platí pro moment r. 12

[

M = k Ψ ×I

]

resp. M = k Ψ I sin α

kde α je úhel mezi oběma vektory. Aby tento součin měl nenulovou střední hodnotu, musí mít oba vektory složky, jejichž poloha je v čase stálá a zároveň jejich vzájemný úhel nenulový. Nenulovou střední hodnotu momentu vytváří právě jen ty složky, které jsou navzájem nepohyblivé. Ostatní složky působí pouze zvlnění momentu (jeho střídavou složku). Pokud se v systému může energie akumulovat, například v pružných elementech přenosu, setrvačných hmotách nebo v indukčnostech či kapacitách jde o více či méně složitý kmitavý systém, kde může dojít k rezonanci s kmitočtem zvlnění. Důsledky jsou vždy nežádoucí. 1.1.4

NAPÁJENÍ

Co se týče výkonu, odebíraného ze zdroje předpokládá se při dalších úvahách, že napětí je buď stejnosměrné nebo střídavé, jednofázové, sinusové. Moderní vozidla obsahují zpravidla nějaký typ měniče, který lze považovat za zdroj vyšších harmonických proudů. Tyto proudy pak působí odpovídající úbytky na reaktanci napájecí sítě (i v případě stejnosměrného systému) a tedy zkreslení napájecího napětí vozidla. U stejnosměrné troleje lze předpokládat, že výkon je dodáván při stálém napětí. Pokud i odebíraný proud je konstantní (nezvlněný nebo je zvlnění zanedbatelné), je i dodávaný výkon konstantní r. 13

P = U.I = konst

Pokud je odebíraný proud zvlněný, má střídavou složku i výkon odebíraný ze zdroje. Pokud má být výkon (moment) motoru konstantní (nebo méně zvlněný), musí být na vozidle obvody, kumulující energii (např. tlumivka nebo filtr). U střídavého jednofázového napájení je zřejmé, že i při sinusovém průběhu napětí a proudu není okamžitý výkon odebíraný z troleje konstantní, jeho průběh odpovídá sinusovému průběhu s dvojnásobným kmitočtem napájecí sítě ( x = ω t ) r. 14

p(x ) = u (x ) i (x ) = U 2 sin (x ) I 2 sin (x − ϕ ) = U I [cos ϕ − cos (2 x )]

To samo o sobě vede k nepříjemné nutnosti používat na střídavých vozidlech nějaká zařízení schopná vyrovnávat bilanci mezi okamžitým odebíraným výkonem a výkonem přiváděným k motoru (aby nevznikalo přílišné zvlnění momentu). Když je proud a pokud ho pokládáme za periodický, lze ho vyjádřit součtem harmonických složek s příslušnými fázovými posuny. Výraz pro střední hodnotu výkonu je dán r. 8 a když do ní dosadíme

-6-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod r. 15

u (x ) = U 2 sin x

r. 16

i (x ) = 2 ∑ Iν sin(νx − ϕν )

dostáváme vzhledem k ortogonalitě goniometrických funkcí postupně výsledek r. 17

P=

1 2π

2π

∫ p (x ) dx =

0

=

U 2π

1 2π

2π

∫

u (t ) i (t ) dx =

0

2U 2π

2π

∫ sin x. ∑ Iν sin (x − ϕν ) dx =

0

2π

∑ ∫ Iν sin x. sin (x − ϕν )dx = U I1 cos ϕ1 0

Na střední hodnotě výkonu se podílí pouze první harmonická proudu, všechny ostatní složky okamžitého výkonu (vyjádřené dalšími členy rozvoje proudu) působí pouze zvlnění odebíraného (dodávaného) výkonu. Ve skutečnosti lze u střídavého napájení očekávat sinusový průběh napětí pouze na vlastním zdroji, generátoru, resp. v síti s výkonem řádově větším než je výkon odebíraný. Úbytky neharmonickým proudem na reaktanci celého systému napájení působí zkreslení napětí. V takovém případě lze výkon vyjádřit r. 18

u (x ) = 2 ∑ Uν sinνx

r. 19

i (x ) = 2

∑ Iν sin (ν x − ϕν )

a střední výkon bude vzhledem k ortogonalitě dán výrazem r. 20

P=

1 2π

2π

2π

∫ u (x ) i (x ) dx = 2 π ∫ ∑ ∑ Uν I µ sin x. sin(νx − ϕ µ ) dx = ∑ Uν Iν cos ϕν ν 0 0 ν µ 2

Ze všech členů dvojitého součtu dávají tedy nenulovou střední hodnotu jen členy se stejným kmitočtem. Ostatní působí jen zvlnění výkonu. Velikosti činných výkonů vyšších harmonických jsou ale zpravidla podstatně menší, protože jednak jejich napětí je podstatně menší než napětí první harmonické, jednak vzhledem k indukčnostem v obvodu jsou fázové posuny příslušných proudů blízké 90°. Proto je můžeme obyčejně zanedbat. 1.1.5

HARMONICKÉ, ZVLNĚNÍ

Příklady v předešlých odstavcích ukazují vztahy pro přenos výkonu a zároveň naznačují okolnosti vzniku dalších jevů, které jsou nežádoucími vedlejšími důsledky činnosti především měničů. Pokud se omezíme na elektrickou část, jedná se o zkreslení proudu nebo napětí vyššími harmonickými. Skutečnost, že výkon přenáší prakticky stejnosměrné složky nebo první harmonické průběhů, umožňuje (za předpokladu linearity obvodů a tedy možnosti superpozice) rozdělit vyšetřování poměrů do dvou etap, pro které platí různá náhradní schémata a jim odpovídající vztahy •

sledování přenosu výkonu, kdy si všímáme pouze středních hodnot, resp. prvních harmonických všech veličin,

-7-

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod •

sledování vedlejších vlivů, obsahu vyšších harmonických v průbězích, zkreslení, zvlnění a souvisejících skutečností (rušení ap.). Zvláště pro zjednodušené orientační úvahy je tento postup velmi účinný a podává dobrý názor o

souvislostech, často naopak o vzájemné nezávislosti výsledků obou etap výpočtu. Příklady budou uvedeny ve všech případech analýzy obvodů s měniči. 1.1.6

"OHMŮV" ZÁKON

Existuje řada podobných zákonitostí, které v podstatě vyjadřují v linearizovaném tvaru obecnou souvislost mezi velikostí působení a účinkem (důsledkem) za daných okolností (v daném prostředí). Původní vztah vyjadřoval úbytek napětí (=účinek) při průtoku proudu (=velikost působení) odporem (=prostředí) ve tvaru r. 21

U = R.I

resp. velikost proudu jako důsledek přiloženého napětí r. 22

I = G.U

Označení "Ohmův zákon" přešlo na řadu podobných závislostí, například na •

vyjádření mezi magnetickým napětím (Az), magnetickým odporem a tokem v magnetických obvodech (Hopkinsův zákon) r. 23

U m = R m .Φ

resp. magnetický tok jako důsledek magnetického napětí v obvodě s magnetickou vodivostí r. 24 •

vyjádření

Φ = Λ.U m mezi

tepelným

výkonem

(W),

tepelným

odporem

(K/W)

a

oteplením

při

jednorozměrném proudění tepla (tepelný spád jako důsledek proudění tepla prostředím) r. 25 •

∆ϑ = Rϑ .P

vztahem mezi působící silou, modulem pružnosti a deformací (Hookův zákon) atd. Tyto vztahy představují mocný nástroj při sledování základních zákonitostí a proto se hojně

používají. Je ale třeba mít na paměti podmínky platnosti a skutečnost, že jde o linearizaci vztahů ve skutečnosti složitějších. Připomeňme, že i původní Ohmův zákon nebere v úvahu změnu odporu v důsledku ztrátového tepla, vznikajícího průchodem proudu, o poměrech při průchodu střídavého proudu nemluvě. U případů, kdy "proudící medium" nelze tak dobře izolovat jako v případech elektrického proudu (magnetický tok, teplo) je na místě opatrnost dvojnásobná. Také vlastnosti prostředí jsou většinou linearizovatelné jen v určitém omezeném okolí sledovaného režimu (například vliv sycení v magnetických materiálech).

-8-


1.2

TRAKČNÍ MECHANIKA Pouze pro připomínku a s ohledem na řešení příkladů uvedeme základní pojmy a vztahy z trakční

mechaniky, které jinak nejsou předmětem skript. Odpor vozidla resp. síla pro jeho je způsoben několika hlavními vlivy. Jízdní odpor F0 [kN ] je síla kterou je třeba vyvinout, aby se vozidlo pohybovalo rovnoměrnou rychlosti

V [km / h ]

odporu p0 (V )

po

vodorovné

přímé

trati.

Vyjadřuje

se

pomocí

měrného

[ / ], což je empiricky získaná závislost, specifická pro každý typ vozidla, 0

00

jízdního

většinou ve

tvaru polynomu r. 26

[/

p0 (V ) = a + bV +V 2

0

00

, km / h

]

Koeficient a respektuje složku odporu ze suchého tření, koeficient b tření kapalinové a koeficient c odpor vzduchu (závisí na čtverci rychlosti). Pro ucelené soupravy se měrný jízdní odpor udává většinou v jiném tvaru. Jízdní odpor je pak roven r. 27

F0 =

[ kN,

p0 gG 1000

0

/ 00 , m / s 2 , t

]

Traťové odpory jsou síly, které je třeba navíc vyvinout, aby se vozidlo pohybovalo rovnoměrnou rychlostí •

0

na stoupání s /00 (je kladná na stoupání a záporná na spádu) a je rovna r. 28

Fs =

[

s g G kN, 0 / 00 , m / s 2 , t 1000

]

Měrný odpor ze stoupání je tedy p s = s •

měrný odpor při průjezdu oblouku je rovněž empirickou hodnotou a závisí na poloměru oblouku R [m] a rozchodu; pro rozchod 1435 mm platí r. 29

pR =

650 R − 55

[/ 0

00

,m

]

Při pohybu zrychleném přistupuje složka urychlující, o které bylo již pojednáno. Pro reálné dosažení určité rychlosti je třeba počítat s dodatečným zrychlením, u vlaků asi 0,03…0,05 m/s

2

(to

0

odpovídá fiktivnímu stoupání asi 3…5 /00). Podobně je třeba pro rozjezd z klidu (zvláště po delším 0

stání) počítat s přídavným odporem asi 5 /00. Významným pojmem v souvislosti s vozidly je adheze. Adheze je schopnost přenášet ve styku kolo-kolejnice tečné síly (tažné i brzdné)podle Obr. 1.

-9-


Obr. 1 Pojem adheze (vlak1.dwg) V nejjednodušším případě je charakterizována koeficientem adheze, který je definován jako poměr mezi normálním (svislým) zatížením kola (nápravy) a maximální tečnou silou, při níž ještě nedojde ke skluzu nebo smyku podle vztahu r. 30

µ=

Ft max N

[1, kN, kN ]

nebo

[

0

/ 00 , N, kN

]

Tento koeficient závisí především na počasí a vyznačuje se proto velkým rozptylem hodnot. Je zjišťován měřením, jejichž výsledky jsou reprezentovány regresní křivkou. Uvádí se někdy také v promilích. Často používaný vzorec pro koeficient adheze ve tvaru r. 31

µ=

7500 + 161 V + 44

[

0

/ 00 , km / h

]

pochází od Curtius-Knifflera. Při uvažování o vozidle je třeba brát v úvahu ještě řadu dalších okolností. Podrobněji jsou jevy spojené s adhezí popsány v díle skript 7. Adheze (Elektrická trakce III).

1.3

METODY ŘEŠENÍ Metody řešení problémů při analýze chování vozidel nebo jejich jednotlivých zařízení (a ovšem

nejen jich) musí přirozeně odpovídat řešenému problému. Obecně lze však rozdělit metody do tří základních skupin, •

modelování,

•

řešení ustálených stavů

•

řešení analytické, První dva způsoby byly v poslední době zásadně ovlivněny počítačovou technikou. Zatím se zdá,

že v této souvislosti dnes výrazně převažuje (počítačové) modelování. Tato metoda je jednodušší a velmi obecná. Jedná se o řešení soustavy rovnic, zpravidla diferenciálních, nelineárních, bez omezení daných pro řešení analytické. Řešení samo obstará vhodný program (pokud je k dispozici). Tento postup je plně adekvátní v případech, kdy se skutečně jedná o modelování nějakého jevu v čase, typicky především přechodných jevů. I v těchto případech má však svá úskalí, zejména •

možnost zavedení velkého množství parametrů, které se jakoby nabízí, komplikuje výpočet a výsledky jsou málo přehledné,

•

skutečné hodnoty mnoha z těchto parametrů často nejsou známé buď vůbec nebo jen velmi přibližně, takže jejich zahrnutí vede ke zpřesnění výpočtu jen zdánlivě,

•

některá, jinak oprávněná zjednodušení (např. zanedbání odporů) mohou velmi nepříznivě ovlivnit konvergenci výpočtu.

- 10 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod Pokud se však jedná o určení poměrů v ustálených stavech systému, je na místě opatrnost. Běžný postup, kdy se prostě "nechá jev ustálit" může selhat, například, když výpočet •

je přerušen příliš brzy a/nebo protože se nesledují všechny potřebné veličiny,

•

může konvergovat velmi pomalu, jak to odpovídá poměrům v málo tlumených obvodech; to se týká právě modelů výkonových zařízení, kde odpory a další ztrátové elementy bývají přirozeně co nejmenší,

•

může vlivem nejrůznějších vlivů (nepřesnosti, velký krok integrací, nelinearity aj.) kmitat. V každém případě lze jen obtížně kvantifikovat míru ustálení a tedy výslednou přesnost. V

takovém případě je na místě postup, kdy se hledá přímo ustálené řešení. Je možné •

přímo hledat řešení příslušné soustavy (zpravidla nelineárních) rovnic některou numerickou metodou nebo

•

opakovaně integrovat diferenciální soustavu ve vhodném intervalu (např. 1/6 periody pro asynchronní motor); při tom se mění podle vhodného algoritmu počáteční podmínky tak, aby rozdíl počátečních a konečných hodnot odpovídajících ustálenému řešení konvergoval k nule. Tyto metody umožňují stanovit odchylku od ustáleného stavu, vyžadují ovšem poněkud více

„algebraické“, případně i programátorské práce. Podceňování analytického řešení na úkor řešení na počítači není na místě, protože pouze tak lze získat •

názor na fyzikální souvislosti řešeného problému,

•

obecný tvar výsledků v přehledné formě,

•

spolehlivější východisko pro iterační výpočet (první aproximaci, která může významně urychlit a někdy vůbec zajistit konvergenci),

•

alespoň přibližnou, ale nezávislou kontrolu výsledků modelování. Často postačí a je dokonce velmi žádoucí použít co možná nejjednoduššího analytického

postupu, maximálního zjednodušení problému tak, aby sledované závislosti vynikly. Cílem takových výpočtů pak není především numerická přesnost (tu lze dosáhnout daleko snáze na počítači při detailním výpočtu), nýbrž obecnost a přehlednost základních vztahů. V dalších kapitolách se právě této zásady budeme držet.

1.4

OBECNÉ VLASTNOSTI MOTORŮ Motor je základní částí každého trakčního vozidla. Pro trakci byly dosud použity snad všechny

druhy a uspořádání motorů a zdá se, že tomu tak bude i v budoucnu. Je proto na místě v tomto úvodu stručně shrnout základní poznatky a obecně platné vztahy. Každý elektrický stroj může při vhodném zapojení vnějších obvodů pracovat jako motor nebo jako generátor. Nesymetrie obou režimů tkví pouze ve ztrátách, jejichž "znaménko" se přirozeně nemění. Ztráty se hradí vždy ze strany přívodu energie. Pro trakční aplikace se elektrické brzdění považuje již za samozřejmé, ale za základní provozní režim se považuje motorický chod. To znamená, že při brzdění je výkon na hřídeli přibližně o dvojnásobek ztrát větší než při tahu. To není na závadu, brzdné účinky jsou proto při stejném zatížení motorů (případně dalších zařízení trakčního obvodu) větší. - 11 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod Známý vzorec udává sílu, působící na vodič v magnetickém poli pro nejjednodušší případ r. 32

[ N,T , A, m]

F = B .I . l

Odtud plyne výraz pro měrnou sílu, vztaženou na povrch rotoru stroje, která bývá používána zvláště při porovnávání nestandardních provedení strojů navzájem nebo se stroji standardními. Jeli na obvodu stroje o průměru rotoru D celkem N vodičů, protékaných proudem I, platí pro měrnou 2

tažnou sílu [N/m ] (A je proudové „obložení“ rotoru) r. 33

σ =

F B.N.I.l NI = = .B = AB πDl πDl πD

[ N / m , A / m,T ] 2

Měrná tažná síla zřejmě závisí na využití aktivních hmot a je omezena nasycením magnetického obvodu

(B)

a dovoleným oteplením vodičů, přesněji izolace

(A) .

Její význam je

jednoznačný jen u strojů s "homogenním" provedením rotoru i statoru, to je tehdy, když se vytváření síly účastní opravdu všechny vodiče. U strojů s vyniklými póly (tzn. i stejnosměrných) je nutno uvést, zda je síla vztažena na celý povrch rotoru nebo jen na aktivní část (např. u stejnosměrného stroje na vodiče pod pólovými nástavci). Pro moment stroje plyne z r. 33 vztah r. 34

M = πD.l.σ .

D π = .AB.lD 2 2 2

[ Nm, A / m,T , m ]

který ukazuje, že moment stroje je určen především využitím aktivních hmot (tedy také způsobem chlazení) a rozměry stroje. Protože výkon je dán součinem r. 35

P = M.ω

[ W , Nm, s

]

−1

resp. kW , kNm, s −1 ,

lze zmenšit rozměry stroje pro daný výkon zvýšením otáček, resp. zvýšením otáček zvětšit výkon stroje daných rozměrů. Zvyšování otáček ovšem znamená zvyšování mechanického namáhání rotujících dílů a tedy také vyšší zatížení příslušných materiálů rotujících částí. Ať je provedení rotoru jakékoliv, vždy existuje určitá maximálně dovolená hodnota odstředivého zrychlení na jeho povrchu, pro kterou platí r. 36

a=

[

D 2 ω m / s, m, s −1 2

]

takže pak pro dosažitelný výkon lze psát analogický vztah

r. 37

π

3

2a π P = M .ω = .A B l D . = AB a .l D 2 2 D 2 2

Zvyšování otáček má ovšem i řadu dalších omezení i u strojů, které na rotoru nemají vinutí, například omezení dynamickou únosností ložisek (jejich životností), provedením potřebných převodů, omezením hluku ap.

- 12 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod Připomeňme na tomto místě důsledky obecné r. 12 za předpokladu, že použijeme statorovou souřadnou soustavu a základní harmonické v případě střídavých veličin a pro jednoduchost stroj dvoupólový. Za těchto předpokladů se bude prostorový vektor kterékoliv veličin otáčet, když •

bude spjat s rotující součástí (rotorem, kotvou) nebo

•

bude vytvářen točivým systémem střídavými proudy/napětími,

•

případně současně oběma způsoby. Pro splnění r. 12 je pak nutné, aby součet úhlových rychlostí vzhledem ke statoru (nebo

koneckonců ke kterékoliv jiné soustavě) byl nulový r. 38

ωs + ωr + ωm = 0

Při tom •

ω s je úhlová rychlost prostorového vektoru statoru, může být nulová (například stejnosměrné buzení) nebo se otáčí rychlostí odpovídající kmitočtu střídavé veličiny (například synchronní rychlost otáčení pole u asynchronního nebo synchronního stroje),

•

ω r je úhlová rychlost prostorového vektoru rotoru vzhledem k rotorovým souřadnicím (nulová u synchronního stroje, střídavá u asynchronního stroje),

•

ω m je mechanická otáčivá rychlost rotoru (dvoupólový stroj!),

vše s příslušnými znaménky. O platnosti těchto vztahů se lze snadno přesvědčit a dobře ukazují obecné vlastnosti pro různé stroje. Různé druhy motorů se liší především způsobem vytváření magnetického pole, buzením. V zásadě může jít o stroje se stejnosměrným tokem buzeným stejnosměrným proudem nebo permanentními magnety. Podle předchozího výkladu musí mezi kmitočtem proudu, otáčkami a počtem pólpárů platit vztah r. 39

f =

p.n 60

[ Hz, 1, ot . / min .]

Jedná se zřejmě o stroje stejnosměrné a synchronní všech typů. Buzení permanentními magnety umožňuje úsporu budicích ztrát (asi 30% ztrát stroje), rozšiřuje možnosti stavět „bezkontaktní“ stroje a v poslední době i netradiční konstrukční uspořádání stroje. Velikost magnetického toku nelze zřejmě přímo ovládat jako při buzení stroje proudem. Právě využití těchto strojů pro trakci se v poslední době zkouší pro trakční generátory i trakční motory díky permanentním magnetům ze vzácných zemin s mimořádnými vlastnostmi. Ty ovšem kladou také nové požadavky na konstrukci i technologii výroby. Pokud je stroj buzen střídavým proudem s kmitočtem f2 musí ze stejných důvodů platit vztah r. 40

f1 =

p.n − f2 60

Jde o stroje asynchronní, kde splnění požadavku zajišťuje automaticky transformace proudu ze statoru do otáčejícího se rotoru, a o stroje střídavé, komutátorové, kde to podobně jako u stejnosměrných strojů zajišťuje komutátor. Oba typy se u elektrické trakce používají.

- 13 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 1. Úvod Pro trakci se zkouší i použití •

motorů reluktančních (nejčastěji se jedná v podstatě o synchronní nebuzené stroje s vyniklými póly, pracující na principu rozdílu mezi magnetickou vodivostí v podélné a příčné ose; počet pólů na statoru i rotoru je stejný) a

•

motorů krokových (počet pólů na statoru a rotoru se liší). Jejich použití se zatím nerozšířilo, známé jsou například aplikace u autobusů s elektrickým přenosem výkonu. Po stránce konstrukční jsou běžné motory rotační a podle směru magnetického toku vzhledem

k ose motoru s podélným tokem (standardní uspořádání, tok se uzavírá po obvodu stroje) nebo s příčným polem (stroje homopolární a nově také stroje s příčným polem s permanentními magnety nebo diskové motory). O nestandardních provedeních strojů a jejich vlastnostech se lze poučit v literatuře.

- 14 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel

2 USPOŘÁDÁNÍ TRAKČNÍCH VOZIDEL Celkové konstrukční uspořádání trakčních vozidel je velmi různorodé v závislosti na požadavcích a podmínkách provozu. Přesto je možné a pro výklad dokonce nutné vydělit z tohoto množství některá typická řešení pro typické případy .

2.1

USPOŘÁDÁNÍ PODLE POUŽITÍ Podle použití lze elektrická vozidla v zásadě dělit:

•

na vozidla pro městskou hromadnou dopravu (MHD),

•

vozidla železniční (v běžném provedení),

•

rychlé soupravy a

•

vozidla speciální Tyto skupiny nejsou přesně ohraničeny a existuje mezi nimi řada přechodných typů. Následující

přehled vyjadřuje pouze základní vlastnosti a typická provedení v jednotlivých skupinách. 2.1.1

TROLEJBUSY

Trolejbusy jsou vozidla přímo odvozená z vozidel silničních a v maximální míře využívají jejich konstrukční principy (Obr. 2). Pouze pohon trakčním motorem a řízení jeho momentu a otáček (např. měniči) má společné s ostatními elektrickými vozidly. Hlavními znaky jsou •

konstrukce odpovídající autobusu,

•

řízení (ovládání) obdobné autobusu (volant, pedály pro jízdu a brzdu atd.),

Obr. 2 Trolejbus pro Luzern, výr. Mercedes, Siemens, 2 článkový: vlastní hmotnost 11,67t, 155 kW, tříčlánkový 15,80t, 185 kW, max. rychlost 65km/h, 600Vss, komutátorový motor s pulzní regulací GTO, pomocný pohon dieselelektrickým soustrojím 40 kW [1] (E4.bmp) •

trakční motor typicky uložený podélně, pohon zadní nápravy kloubovým hřídelem a rozvodovkou s diferenciálem (pokud nejsou použity kolové motory pro individuální pohon každého kola),

- 15 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel •

jízda na pneumatikách umožňuje dosahovat prakticky stejné adhezní vlastnosti při zrychlování a brzdění jako ostatní silniční vozidla,

•

napájecí napětí 600 Vss nebo 750 Vss, přívod musí být dvoupólový (složitější trolej, problémy s křižováním tramvají a jinými trolejovými vedeními),

•

skříň nemůže být účinně uzemněna, jsou kladeny velké nároky na bezpečnou izolaci elektrického zařízení, které je umístěno převážně pod podlahou, částečně i na střeše vozidla,

•

investiční náklady jsou malé a provozní pružnost velká (možnost objíždění překážek, odstavení ap.), existují i řešení s pomocným spalovacím motorem pro jízdu bez troleje (s omezeným dojezdem).

2.1.2

TRAMVAJE

Tramvaje jsou typická a nejrozšířenější kolejová vozidla MHD (Obr. 3, Obr. 4). Jejich provedení, ale i technické a provozní požadavky jsou město od města dosti různé. Protože tvoří izolované sítě, řídí se více místními zvyklostmi než normami. Některé typické znaky jsou •

uspořádání jako samostatná vozidla (soupravy), často s vícenásobným řízením více vozidel (souprav), často také jako článková vozidla v nejrůznějším provedení,

•

u nových typů se prosazuje co největší podíl "nízké podlahy" (asi od 200 mm nad TK), která umožňuje rychlý a pohodlný nástup a výstup cestujících,

Obr. 3 Nízkopodlažní tramvaj ASTRA, výr. ŠKODA, Elin, Bo´Bo´, vlastní hmotnost 38t, max. rychlost 70km/h, 600Vss, 4x85,kW, asynchronní, IGBT střídače, nízká podlaha 50%, 350mm, (prospekt ŠKODA) (E7.bmp) •

stejný význam mají dostatečně dimenzované nástupní prostory a dveře,

•

staví se pro jednosměrný provoz (s jedním řidičským stanovištěm a dveřmi jen na jedné straně) nebo pro oba směry jízdy (to vede k zmenšení počtu sedadel),

•

pro provoz mezi silničními vozidly v pouličním provozu se vyžaduje vysoké zrychlení a především vysoké zpomalení při brzdění, proto mají vozidla často všechny alespoň většinu náprav hnaných a kromě adhezních i neadhezní brzdy (magnetické kolejnicové brzdy),

- 16 -


napájení zpravidla jednoduchou trolejí ("tramvajový závěs") s napětím 600Vss nebo 750Vss,

•

dosažení rozumné průměrné rychlosti při častých zastávkách vyžaduje vysokou dynamiku a rychlou výměnu cestujících (nízkopodlažní provedení atd.),

•

elektrická výzbroj je při normální výšce podlahy umístěna dílem pod podlahou, dílem na střeše (např. odporníky), u vozidel nízkopodlažních na střeše,

Obr.

4 Tramvaj KT8D5, výr. ČKD Praha, max. rychlost 65km/h, 600Vss, 4x45 kW ,

stejnosměrné motory s pulzní regulací, (prospekt ČKD) (E6a. bmp) •

umístění pohonu u nízkopodlažního provedení bývá obtížné a vede často k neobvyklým řešením (kolové motory),

•

velmi proměnlivé zatížení motorů a ostatní elektrické části vyžaduje buď podrobné údaje o provozu a/nebo dostatečné rezervy při dimenzování (dostatečně dlouhá oteplovací časová konstanta se dá dosáhnout např. vodním chlazením motorů i měničů),

•

řízení vozidla je plně v rukou řidiče (prakticky neexistuje zabezpečovací zařízení).

2.1.3

PODZEMNÍ DRÁHA

Jde o vyhraněný typ vozidel s maximálním přepravním výkonem ve velkoměstech. V některých případech se provozuje i pod širým nebem (na předměstích) a pak má mnoho společného s městskými rychlodráhami (viz dále). Hlavní znaky vozidel podzemní dráhy jsou •

používá zcela oddělené kolejiště, plně vyhrazené pro tento provoz bez styku s ostatními druhy dopravy a chodci; to má za následek vysoké dopravní výkony, ale i vysoké investiční náklady a minimální provozní variabilitu,

•

vozidla tvoří vždy ucelené soupravy konstantní délky, která odpovídá délce nástupišť,

•

vysoká dynamika při často značných sklonech a vysoké obsaditelnosti vyžaduje velký výkon motorů; zpravidla jsou všechny nápravy hnané, také s ohledem na možnost elektrického brzdění celé soupravy,

•

rychlost výměny cestujících vzhledem k nástupu výhradně z úrovňového nástupiště nevyžaduje nízkopodlažní provedení, pouze dostatečně dimenzované nástupní prostory a dveře,

•

oddělení provozu umožňuje vysokou hustotu provozu a ta vyžaduje dokonalé zabezpečovací zařízení a dispečerské řízení; možnosti zásahu strojvedoucího jsou omezené,

- 17 -


provoz s cestujícími v tunelu musí být dokonale zajištěn z hlediska bezpečnosti (zabezpečení jízdy vlaků, použití nehořlavých, nekouřivých a netoxických materiálů, zálohování trakce i řízení atd.),

•

vozidla nejsou (s výjimkou jízdy do dep na povrchu) vystavena povětrnostním podmínkám jako ostatní elektrická vozidla,

•

napájena jsou ze třetí (boční) kolejnice napětím nejčastěji 750 Vss,

•

elektrická výzbroj je převážně pod podlahou (podlaha je relativně vysoko).

Obr.

5 Třívozová jednotka pro BTSC Bangkok, výr. DUEWAG, Siemens, SGP ,

Bo´Bo´+2´2´+Bo´Bo´, vlastní hmotnost 102,5t, max. rychlost 80 km/h, 750Vss (třetí kolejnice), 8x230 kW, asynchronní motory, IGBT střídač. Zařízení: 1 - trakční kontejner, 2 - brzdový odpor, 3 - rychlovypínač, 4 - hlavní vypínač, 5 - měnič, 6 - pomocné přístroje, 7 - baterie, 8 kompresor, 9 - klimatizace (prospekt Siemens) (E5.bmp)

2.1.4

MĚSTSKÉ RYCHLODRÁHY

Tyto rychlodráhy jsou charakterem provozu a tedy i provedením vozidel obdobná vozidlům podzemní dráhy, jejich oddělení od ostatních druhů dopravy je ale jen částečné. Často se mohou pohybovat také po železničních tratích a pak musí vyhovovat příslušným předpisům. Prostředí je venkovní, napájení zpravidla 750 Vss nebo 1500 Vss třetí kolejnicí, případně normální trolejí (Obr. 5). 2.1.5

PŘEDMĚSTSKÉ JEDNOTKY

Předměstské jednotky jsou určeny pro provoz na železničních tratích v okolí velkých průmyslových center. Tvoří přechod mezi MHD a klasickou železniční osobní dopravou (Obr. 6, Obr. 7). Hlavními znaky jsou •

dosažení maximálního přepravního výkonu, s ohledem na délku nástupišť se staví také jako dvoupodlažní,

•

většinou se jedná o ucelené vlaky, násobně řízené z koncových vozidel (motorových nebo řídicích),

•

vlak bývá složen z několika dílčích souprav, dále provozně nedělitelných, pro dosažení potřebné variability v závislosti na kolísání zatížení v průběhu dne,

- 18 -


Obr. 6 Hlavový motorový vůz patrové soupravy mDDM, dolní patro je využito výjimečně pro elektrickou výzbroj, horní pro cestující, výr. FIAT-SIG, vlastní hmotnost 80t, max. rychlost 140km/h, Bo´Bo´Bo´, 1500Vss, 6x400 kW, asynchronní, [2] (mddm.bmp)

- 19 -


Obr. 7 Hlavové vozidlo S-Bahn Zürich, se zavazadlovým oddílem, Re4/4 - ř.450, výr. SIG, ABB, hmotnost 74t, max. rychlost 130km/h, Bo´Bo´, 15 kV, 162/3Hz, 4x750 kW, asynchronní motory, GTO měniče, [3] (E3.bmp) •

výška podlahy v místě nástupu je přizpůsobena výšce nástupišť, která jsou na příslušných tratích zpravidla jednotně vybudována,.

•

vysoká hmotnost souprav (zvláště v patrovém provedení) a dynamika jízdy vyžaduje velmi značné výkony v jízdě i brzdění a z adhezních důvodů také velký podíl hnaných náprav; nápravové zatížení se pohybuje blízko maximálního,

•

vozidla musí vyhovovat všem železničním předpisům co do rozměrů, pevnosti, napájení, troleje atd.,

•

elektrická výzbroj může být uložena pod podlahou ev. částečně pod střechou; v případě patrových jednotek je nutno ji umístit ve strojovnách, které zmenšují prostor pro cestující,

•

řízení vozidla, provozu jako celku a jeho zabezpečení je obdobné jako pro ostatní vlaky na daném úseku (trati mohou být navíc vybaveny pro náročnější automatizaci řízení).

2.1.6

VOZIDLA PRO REGIONÁLNÍ DOPRAVU

Vznikla na železnicích s pokročilou elektrifikací jako obdoba motorových vozů se spalovacími motory (Obr. 8) pro osobní dopravu na málo zatížených tratích. Tvoří přechod mezi předměstskými jednotkami a tramvajemi resp. autobusy ("Schienenbus"). Hlavními znaky jsou •

minimální hmotnost a co nejlehčí stavba, odpovídající provedení nejlehčích ještě přípustných železničních vozidel,

•

nízká podlaha pro usnadnění nástupu na zastávkách vedlejších tratích bez vybudovaných nástupišť,

- 20 -


Obr. 8 Regionální vozidlo pro okolí Bernu - „NINA“ - BLS-RABe-525 001-008, výr. Vevey, Holec, [4] (E2.bmp) •

odpovídající vybavení prostorů pro cestující a dostatečné prostory pro dopravu zavazadel (rekreační provoz, jízdní kola, lyže),

•

minimální potřebný výkon při střídmě volené maximální rychlosti a dynamice.

2.1.7

LOKOMOTIVY

Lokomotivy jsou typická železniční trakční vozidla a vlastně jediná, která slouží pouze pro trakční účely (a ne také pro dopravu cestujících nebo zboží). Staví se pro nejrůznější specializované účely nebo naopak univerzální pro co nejširší použití (Obr. 9, Obr. 10). Typickými znaky jsou •

určení výhradně pro tažení vlaků, plné oddělení prostoru pro trakční zařízení s obsluhou,

•

vysoká koncentrace výkonu často vede k prostorovým, hmotnostním a adhezním potížím,

•

výkony a rychlosti lokomotiv představují nejširší myslitelnou škálu; mohou se pohybovat od parametrů tramvají až po nejvyšší a tomu odpovídá i veliká pestrost konstrukčních provedení.

- 21 -


Obr. 9 Rychlíková lokomotiva řady 460, výr. SLM-Winterthur, ABB, hmotnost 84 t, max. rychlost provozní 200km/h, konstrukční 23Okm/h, Bo´Bo´, 15 kV, 162/3Hz, 4x1200 kW, asynchronní motory, GTO měniče; 1 - pantograf, 2 - bleskojistka, 3 - hlavní vypínač a uzemňovač, 4 - měřicí transformátor napětí, 5 - trakční transformátor, 6 - tlumivky, 7 - Pulzní usměrňovač, 8 - střídače, 9 - kondenzátor meziobvodu, 10 - kondenzátory filtru 33Hz, 11 trakční přístroje, 12 - trakční motory, 14 - měnič pomocných pohonů, 15 - přístroje pomocných pohonů, 16 - chladicí věž transformátoru a měničů (olej), 17 - ventilátory trakčních motorů, 18 čerpadla oleje transformátoru, 19 - čerpadla oleje měničů, 20 - expanzní nádoba transformátoru [5] (E9.bmp)

Obr. 10 Lokomotiva pro lehkou traťovou službu a posun 90E, výr. ŠKODA, hmotnost 72t, maximální rychlost 100km/h, 3 kVss, 4x400 kW asynchronní motory, GTO střídače. (prospekt ŠKODA) (E8.bmp)

- 22 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel 2.1.8

RYCHLÉ SOUPRAVY

Představují nejrychlejší a zároveň nejspecifičtější druh železničních vozidel. Jejich maximální rychlosti se pohybují v rozmezí od 220 km/h výše a v některých aspektech přebírají prvky charakteristické

pro

letadla.

Pro

rychlosti

poblíž

dolní

uvedené

hranice

stačí

upravené

(modernizované) stávající trati, pro vyšší rychlosti se staví nové speciální vysokorychlostní trati se značně odlišnými parametry, které využívají původní železniční sítě především v oblasti velkých měst. Společná nádraží v centru měst představují významnou výhodu v porovnání s dopravou leteckou. Hlavní znaky jsou zejména: •

výhradní použití ucelených, přísně aerodynamicky řešených souprav,

•

vysoký výkon, rozdělený na většinu náprav vzhledem k adhezi, snižující se s rychlostí, a také s ohledem na možnost elektrického brzdění (provozní brzdění mechanickou brzdou není v oblasti vysokých rychlostí prakticky možné),

•

vysoký komfort prostorů pro cestující, tlakotěsné provedení vozidel,

•

speciální zabezpečovací zařízení jízdy vzhledem k dlouhým zábrzdným vzdálenostem.

2.1.9

SPECIÁLNÍ A DROBNÁ VOZIDLA

Dosud uvedené příklady se týkaly typického provedení vozidel. Přirozeně existuje řada přechodných provedení, spojujících vlastnosti sousedních nebo i více skupin tak, jak to podmínky použití vyžadují. Příkladem může být například •

tramvaj pro Saarbrőcken, která je schopna provozu na tramvajových tratích s napětím 750Vss i na železničních tratích s napětím 15 kV, 162/3 Hz (Obr. 11),

•

souprava pro předměstskou soupravu v Zürichu, která má trakci soustředěnou v hlavovém vozidle, což je v podstatě lokomotiva s jedním stanovištěm, se skříní přizpůsobenou navazujícím vozům (Obr. 7),

•

vozidla hybridní, umožňující provoz z troleje i z nezávislého zdroje (spalovací motor, baterie),

•

drobná vozidla pro vnitrozávodovou dopravu, "ještěrky", malé důlní a průmyslové lokomotivy.

Obr. 11 Tramvaj schopná provozu na elektrifikovaných tratích, výr. Bombardier, Talbot, 2

ANF-Industrie, vlastní hmotnost 53,8t, max. rychlost 100km/h, 750Vss a 15 kV, 16 /3Hz, 8x120 kW asynchronní motory, GTO střídač (prospekt EURORAIL) (E10.bmp)

- 23 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel Kromě toho se však staví vozidla, která se svým účelem a uspořádáním zásadně odlišují od dosud uvedených (Obr. 12, Obr. 13, Obr. 14, Obr. 15). Jako příklad mohou sloužit •

malá posunovací lokomotiva, schopná provozu po kolejích i po vozovce (Obr. 12),

•

lokomotiva pro obsluhu koksárenských baterií s napájením třífázovou "jeřábovou trolejí", vystavená střídavě vysokým teplotám a vodní sprše,

•

lokomotiva pro tažení lodí panamským průplavem (rychlostí asi 10 km/h) a jiné.

Obr. 12 Posunovací vozidlo pro provoz na kolejích i na silnici „MINILOK“, výr. AllradRangiertechnik GmBH, (firemní prospekt) (E12.bmp)

- 24 -


Obr. 13 Bateriová posunovací lokomotiva EL16, výr. AEG-Henningsdorf, hmotnost 12t, Bo, max. rychlost 6km/h, olověný akumulátor 112V, 455Ah, 2x8,5 kW, max. tažná síla 40 kN, 3 hospodárné stupně - přepínání baterie (prospekt AEG). (E14.bmp)

Obr. 14 Speciální vozidlo pro údržbu Tm 2/2 - „Ant“, výr. SLM, vlastní hmotnost 30t, náklad 5t, nosnost ramene 70 kNm, spalovací motor 310 kW, (prospekt SLM) (E11.bmp)

- 25 -


Obr. 15 Důlní trolejová lokomotiva EL 6, výr. AEG, hmotnost 8t, rozchod 500...630mm, Bo, max. rychlost 25km/h, trolejové napětí 220V nebo 550Vss,, 2x23 kW, max. tažná síla 21 kN, stupňová regulace, 2 hospodárné stupně, 14 jízdních a 9 brzdových stupňů, výška troleje 1800...1300mm, minimální poloměr oblouku 8m). (E13.bmp)

2.2

POJEZD Pojezdem označujeme zpravidla ty části vozidla, které jsou svou funkcí bezprostředně spojeny

s jeho pohybem. Jedná se tedy zejména o •

dvojkolí, nápravy nebo kola, jejich ložiska, ložiskové domky, jejich vedení,

•

přenos svislých a příčných sil mezi kolem a skříní, vypružení a tlumení,

•

přenos tažných a brzdných sil mezi kolem a skříní, Provedení pojezdu je základní charakteristikou mechanického uspořádání vozidla, protože

rozhodujícím způsobem ovlivňuje jeho jízdní vlastnosti. Zároveň přímo nebo nepřímo ovlivňuje uspořádání ostatních zařízení, v tom i elektrických, zejména trakčních motorů (viz následující kapitolu, kde bude tento vztah rozebrán podrobně). Hlavním kritériem jízdních vlastností jsou dynamické síly, působící za jízdy mezi tratí a vozidlem a mezi vozidlem a nákladem, resp. cestujícími, obsluhou, zařízením (srov. náhradní schéma pouze pro svislý směr na Obr. 16). Tyto síly a jimi způsobená zrychlení rozhodují o •

bezpečnosti jízdy,

•

komfortu pro cestující nebo účincích na náklad,

•

nákladech na údržbu a životnosti jednotlivých částí.

- 26 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel Dynamické účinky jsou na straně vozidla závislé na rychlosti jízdy ve vztahu k vypružení a tlumení. Velikost příslušných sil závisí na míře vypružení, kritické jsou především nevypružené hmoty.

→ Obr. 16 Zjednodušené mechanické schéma vzájemného působení vozidla a trati [6] (zev384.bmp) Dalším faktorem je přirozeně hmotnost vozidla, resp. nápravové zatížení. Pro rychlé soupravy se proto požaduje relativně nízké nápravové zatížení (ve vztahu k únosnosti svršku při běžných rychlostech), naopak lokomotivy pro vysloveně nákladní provoz (například důlní) vyžadují s ohledem na adhezi vysoké nápravové zatížení, ovšem při nízkých rychlostech. Důležitým údajem je minimální poloměr pojížděných oblouků (při daném rozchodu), který přímo souvisí s rozvorem náprav. Malý poloměr vyžaduje malý rozvor a případně další opatření („rejdovná“ dvojkolí různých systémů) pro snížení vodicích sil při průjezdu obloukem (bezpečnost jízdy, opotřebení okolků). Na druhé straně zmenšování rozvoru zhoršuje chování vozidla v přímé (stabilita v přímém směru). Všechny tyto požadavky ovlivňují uspořádání pohonu. Podle pojezdu dělíme v zásadě vozidla na rámová a podvozková. Rámová vozidla mají mezi dvojkolím a (hlavním) rámem pouze jeden stupeň vypružení. U elektrických trakčních vozidel se používají poměrně zřídka, například u vozidel dvounápravových (případně třínápravových), u starších druhů tramvají, u vícedílných důlních lokomotiv, kde každý díl je tvořen samostatným dvounápravovým „podvozkem“ apod. (srov. Obr. 13, Obr. 14, Obr. 15). Vzdálenost krajních náprav je zde rozhodující pro průjezd obloukem a proto omezuje délku vozidla. Nejčastějším uspořádáním pojezdu elektrických vozidel je provedení podvozkové. Podvozky jsou nejčastěji dvounápravové, ale vyskytují se i konstrukce až 4-nápravové pro velmi těžké lokomotivy a na druhé straně i „jednonápravové“, které lze považovat za samostatná rejdovná dvojkolí, případně i poháněná. Podvozky se typicky skládají z rámu, dvojkolí s ložisky a ložiskovými domky, primárního vypružení (dvojkolí-rám podvozku), tlumičů pro tlumení svislých a příčných pohybů, zařízení pro přenos tažných a brzdných sil z podvozku na hlavní rám, zařízení pro vedení podvozku pod rámem (otočný čep, ojničky aj.), sekundárního vypružení (rám podvozku-hlavní rám) a brzdové výstroje. Z hlediska elektrické výzbroje nesou podvozky především trakční motory (pokud nejsou upevněny na skříni) se zařízením pro přenos momentu na nápravu a vypružení trakčního motoru (bude podrobněji popsáno dále), uzemňovač pro převod trakčního proudu na nápravu, případně čidla otáček (rychlosti), kolejnicové brzdy, snímače proudu z třetí kolejnice ev. další zařízení.

- 27 -


Obr.

17 Trakční podvozek stejnosměrné elektrické předměstské jednotky ŠKODA, 2

asynchronní trakční motory po 500 kW, konstrukční rychlost 160km/h, primární vypružení FLEXI-COIL, sekundární vzduchem, kotoučové brzdy v kolech, magnetická kolejnicová brzda (podv471.bmp) Hlavní předností podvozkových vozidel je dokonalejší (dvoustupňové) vypružení a (především pro dvounápravové podvozky) výrazné zlepšení průjezdu oblouky. Stabilita jízdy v přímém směru musí být zajištěna vhodným tlumením vrtivých pohybů podvozku pod skříní. Příklad podvozku je na Obr. 17. Uspořádání pojezdu se označuje písmeny a číslicemi, které vyjadřují •

velké písmeno počet poháněných náprav: A, B, C.. pro 1, 2, 3… poháněné nápravy, uspořádání C znamená třínápravovou rámovou lokomotivu (se společným pohonem na všechny nápravy),

•

číslice počet běžných (nepoháněných) náprav: 1, 2, 3 pro 1, 2, 3…běžné nápravy,

•

pokud jsou nápravy uloženy v podvozku, označuje se příslušná skupina znaků čárkou, např. B´ pro podvozek se dvěma (společně poháněnými - spřaženými) nápravami, (1A)´ pro podvozek s jednou běžnou a jednou poháněnou nápravou a pod.,

•

pokud jsou nápravy poháněny individuálně, doplňuje se písmenové označení znakem „o“ (symbol motoru), takže Bo´znamená podvozek se dvěma individuálně poháněnými nápravami, Co´ podobně podvozek se třemi individuálně poháněnými nápravami apod.

- 28 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel Standardní uspořádání čtyřnápravové podvozkové lokomotivy s individuálním pohonem náprav tedy nese označení Bo´Bo´, jiné případy srov. Obr. 3 až Obr. 15. U vozidel vícedílných se spojení dílů označuje znaménkem „+“, např. lokomotiva pro sibiřskou trať BAM má uspořádání pojezdu Co´Co´+Co´Co´, tzn. skládá se ze dvou dílů, každý se dvěma třínápravovými podvozky s celkem 12 trakčními motory pro pohon všech náprav. Úspornost uvedeného označení je zřejmá.

2.3

PROVEDENÍ SKŘÍNĚ Skříň vozidla sestává nejčastěji z následujících hlavních částí

•

Hlavní rám. U podvozkových vozidel spočívá vypruženě na podvozcích, u rámových (vypruženě) přímo na nápravách. Slouží (popřípadě spolu s dalšími díly) k přenosu podélných sil (tažných na háku, brzdných na náraznících, stlačovacích mezi nárazníky atd.) a svislých od zatížení zařízením, nákladem, cestujícími, dynamickými silami při svislých pohybech atd.

•

Bočnice. U vozidel pro dopravu cestujících zabírají větší část jejich plochy okna a dveře, u lokomotiv často plochy pro nasávání (řidčeji výfuk) chladicího vzduchu s žaluziemi a filtry. Při daném množství vzduchu klesá s růstem velikostí plochy nasávacích otvorů rychlost nasávaného vzduchu a tím roste účinek filtrace při současném poklesu hydraulického odporu.

•

Střecha. U lehkých vozidel může tvořit střecha s bočnicemi a rámem jediný konstrukční celek pro dosažení potřebné pevnosti a tuhosti při co nejlehčí konstrukci. Pokud se na střechu v takovém případě umístí elektrické zařízení, má to přímý vliv na její konstrukci. U lokomotiv (skříňového provedení) a dalších vozidel se strojovnou bývá střecha vytvořena z několika odnímatelných dílů pro možnost montáže větších celků shora. Jejich velikost a rozmístění pak přímo souvisí s provedením strojovny. Na střeše je umístěn sběrač (pokud není vozidlo napájeno z třetí koleje), zpravidla některé vysokonapěťové přístroje (zvláště pro 15 kV nebo 25 kV), přirozeně chlazená zařízení nebo jejich chladiče a zvláště u vozidel nízkopodlažních i většina elektrické trakční výzbroje dále klimatizační zařízení apod.

•

Kabina se stanovištěm strojvedoucího nebo řidiče. Zde jsou soustředěny všechna významná ovládací a kontrolní zařízení, podle možnosti pracující pouze s malým napětím. Rozhodujícími hledisky jsou požadavky ergonomie, pracovního prostředí (hluk, otřesy osvětlení, větrání) a zajištění požadovaného výhledu na trať.

•

Prostor pro cestující. Jeho provedení je rozhodující pro laické i zběžné odborné posuzování vozidla a proto velmi záleží na dobrém designu. Vybavení musí poskytovat přiměřený komfort a zároveň splňovat bezpečnostní a provozní požadavky v závislosti na provozním určení vozidla. (rychlá výměna cestujících, prostor pro zavazadla, osvětlení, klimatizace, topení, informační systém a další).

•

Strojovna. Slouží pro umístění elektrické a pneumatické výzbroje. Přístupnost pro běžnou montáž a údržbu zajišťuje u lokomotiv jedna nebo dvě průběžné uličky předepsané šířky a výšky, nejlépe průchozí pod napětím. Při rozmístění zařízení je nutno pamatovat na to, aby těžiště vozidla leželo v příčné a zpravidla také v podélné v ose pro dosažení vyrovnaných nápravových a kolových zatížení (v předepsaných tolerancích). Symetrické uspořádání je vhodné pokud možno dodržovat. Uspořádání strojovny je zásadním způsobem ovlivněno provedením chlazení jednotlivých

- 29 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 2. Uspořádání trakčních vozidel zařízení (místo vstupu a výstupu vzduchu, umístění filtrů, ventilátorů apod.). Důležitou skutečností je, zda se vzduch nasává přímo do strojovny (ve strojovně je pak podtlak) nebo do samostatných nasávacích skříní, oddělených od ostatního prostoru strojovny (pak může být ve strojovně přetlak). V prvním případě je třeba počítat se zvýšenou prašností a elektrická zařízení je nutno uzavřít do těsných skříní, v druhém jsou poměry podstatně příznivější za cenu větších prostorových nároků na vzduchovody. Posunovací a podobné lokomotivy bývají provedeny jako kapotové se středním stanovištěm. Kapoty jsou snímací pro montáž zařízení, která je zpravidla velmi stísněná. Přístup pro kontrolu a údržbu je obtížnější, protože zajištění dobrého výhledu silně omezuje vnější rozměry kapoty (požaduje se výhled ze stanoviště strojvedoucího na přilehlé nárazníky). U vozidel pro dopravu cestujících (MHD, jednotky atd.) je zařízení umístěno pod podlahou a/nebo na střeše. Přístupnost zařízení na střeše je přirozeně špatná a podmíněna vypnutím a uzemněním troleje nebo přetažením vozidla mimo ni vozidlem nezávislé trakce. Zařízení pod podlahou musí zase pracovat ve velmi špatných podmínkách (nečistoty, voda, sníh, odletující kamení apod. Ve skutečnosti postihuje uvedené dělení pouze typické případy vozidel. Příklady typických i atypických řešení lze nalézt na Obr. 2 až Obr. 15.

- 30 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu

3 USPOŘÁDÁNÍ ELEKTRICKÉHO POHONU Součástmi přenosu momentu z motoru na kolo resp. dvojkolí jsou kromě motoru především •

ozubené převody všech druhů pro změnu poměru momentu a otáček na motoru a na nápravě s ohledem na použité konstrukční řešení přenosu (vložené kolo, kuželové převody ap.),

•

kloubové hřídele a spojky umožňující přenos momentu mezi částmi, které se mohou navzájem pohybovat (při pružení vozidla, kvůli nevyhnutelným montážním nepřesnostem ap.),

•

ložiska, převážně valivá, která často rozhodují o životnosti celého zařízení. Uspořádání elektrického pohonu, uložení trakčního motoru a způsob přenosu momentu z hřídele

motoru na kolo je převážně záležitostí mechanickou. Souvislosti s požadavky na trakční motory a omezení, která jednotlivé způsoby mohou představovat jsou ale důležité a proto se stručně o této problematice zmíníme. Pokud není uvedeno jinak, jsou následující obrázky převzaty z [7].

3.1

ULOŽENÍ MOTORU A PŘENOS MOMENTU Vzhledem k podélné ose vozidla může být motor v zásadě uložen

•

příčně, osa motoru je rovnoběžná s osou poháněné nápravy, přenos je proveden zpravidla čelním ozubeným převodem, typické použití je pro lokomotivy a ostatní těžká vozidla drážního typu,

•

podélně, osa motoru je kolmá k poháněnému dvojkolí, převod využívá kuželových nebo hypoidních převodů (někdy spolu s čelními), typické použití je pro tramvaje, trolejbusy a lehká regionální vozidla (zvláště se spalovacími motory),

•

svisle, osa motoru je svislá, převody jako v předešlém případě, použití výjimečné u nízkopodlažních tramvají, kde nejsou poháněny nápravy, ale samotná kola nebo skupina kol na jedné straně vozidla (například dvou kol), Za zvláštní případ lze považovat kolový motor, kde je motor (případně s převodovkou)

konstrukčně sloučen s kolem. Užívá se někdy u nízkopodlažních tramvají. Trakční motor představuje značnou hmotnost a podle předchozího výkladu s rostoucí rychlostí rostou požadavky na jeho vypružení i vypružení ostatních částí přenosu momentu. Zcela nevypružený motor podle Obr. 19 je historickou záležitostí. Podobné uspořádání, ovšem s vypruženým motorem je ale stále předmětem zájmu konstruktérů, protože je řešením principiálně nejjednodušším. Dutou hřídelí motoru prochází náprava a moment se přenáší vhodným typem spojky. Vynechání převodovky sice přenos momentu zjednodušuje a zlepšuje jeho účinnost, není třeba olejového mazání (tečení!), motor však musí sám vyvinout celý požadovaný moment a proto vychází těžší a větší (srov. odst. 1.4, Obr. 18).

- 31 -


Obr. 18 Podélný řez asynchronního trakčního motoru s přímým náhonem (bez převodovky), 650 kW, proudový střídač, pro lokomotivu ŠKODA typ 85E (85e.bmp)

Klasickým řešením je tlapový pohon s čelním ozubeným převodem (Spargue pro tramvaj v Richmondu USA 1888) (Obr. 20). Při tomto uspořádání je odpružena přibližně polovina hmotnosti motoru a převodovky a vozidla proto mohou dosahovat maximální rychlosti asi 110 km/h (u moderních pohonů s lehkými asynchronními trakčními motory i více). Ložiska, jimiž spočívá motor na nápravě („tlapová ložiska“), byla standardně kluzná. Nyní se používají „tlapy valivé“ s dutým hřídelem, který může být navíc proti nápravě částečně odpružen (Obr. 22). Toto uspořádání ovšem za jinak stejných poměrů vyžaduje menší vnější průměr motoru (viz. dále). Jiným zdokonalením je plné odpružení převodovky, která pak musí být s motorem spojena pružnou spojkou (Obr. 21). Toto uspořádání ale zmenšuje možnou axiální délku motoru. Motor je upevněn na rámu podvozku. Lepší vypružení lze dosáhnout použitím kloubových hřídelí v nejrůznějším uspořádání, která se liší umístěním (dutý hřídel kolem nápravy Obr. 22, kloubový hřídel procházející motorem Obr. 23, vnější kloubový hřídel Obr. 24) a provedením kloubů a spojek. V optimálním případě lze považovat za nevypruženou hmotu asi polovinu hmoty dutého kloubového hřídele a jeho jeden kloub. Motor je v těchto případech pevně uložen na rámu podvozku, popřípadě i na hlavním rámu vozidla.

- 32 -


Obr. 22 Varianta pohonu s částečně odpruženým motorem: tlapový závěs na

Obr. 19 Pohon s neodpruženým

odpruženém dutém hřídeli [7] (steyer6.bmp)

motorem: motor přímo na nápravě [7] (steyer6.bmp)

Obr. 23 Pohon s odpruženým Obr. 20 Pohon s částečně odpruženým

motorem: kloubový hřídel procházející

motorem: tlapový závěs [7] (steyer6.bmp)

motorem, [7] (steyer7.bmp)

Obr. 21 Pohon s odpruženým motorem: pružná spojka mezi motorem a převodovkou [7] (steyer7.bmp)

- 33 -


Obr. 26 „Jednoložiskový“ trakční generátor spojený se spalovacím motorem [7] (steyer14.bmp)

Obr. 24 Pohon s odpruženým motorem: dvoustupňový převod s vnějším kloubovým hřídelem [7] (steyer7.bmp)

Obr. 27 Dvoustranný náhon se šikmým ozubením pro těžké nákladní a důlní lokomotivy [7] (steyer14.bmp)

Obr. 25 Uspořádání pohonu s třemi ložisky a membránovou spojkou v motoru („Gealeif“) [7] (steyer14.bmp

Zvláštní případy uložení jsou na Obr. 25 až Obr. 27. Řešení podle Obr. 25 zajišťuje, že zubové síly se zachycují v ložiscích pastorku. Motor má pouze jedno ložisko a s pastorkem je spojen pružnou membránovou spojkou, která přenáší moment a radiální síly, kdežto axiálně je pružná (viz též Obr. 51). V jiné souvislosti, v případě trakčního generátoru spojeného se spalovacím motorem je použito stroje s jediným ložiskem podle Obr. 26. Konečně na Obr. 27 je dvoustranný pohon s tlapovým pohonem na dutém hřídeli se šikmým ozubením. Rotor musí mít axiální vůli v ložiscích a zaujme takovou polohu, kdy se moment rozdělí na oba převody rovnoměrně vlivem axiálních sil od obou šikmých ozubení. Také podélné uložení motoru může být provedeno různým způsobem vzhledem k odpružení a provedení kloubových hřídelí a spojek. Některá provedení, typická pro tramvaje jsou na následujících Obr. 28 a Obr. 29.

- 34 -


Obr. 28 Varianty pohonu s podélně uloženým motorem: sdružený pohon jediným motorem, dvojmotor [7] (steyer8.bmp)

Obr. 29 Uspořádání pohonu náprav dvěma podélně uloženými motory s kloubovými hřídeli: běžné provedení pro tramvaje, provedení pro nízkopodlažní tramvaje (kloubový hřídel leží níž než osy kol) [7] (steyer9.bmp)

- 35 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu Kromě odpružení motorů a pohonu se používá také odpružení přímo v kole, mezi obručí a nápravou. Toto vypružení bývá provedeno pryží a kromě vypružení slouží také k potlačení hluku. Příklad provedení je na Obr. 30. Z hlediska elektrického je nutno pamatovat na nezbytné vodivé propojení mezi oběma odpruženými díly pro převod trakčního proudu do kolejnic. Používají se u lehkých vozidel, například tramvají.

Obr. 30 Konstrukce pryží odpruženého kola pro kolejová vozidla SAB Wabco, tlumí hluk a snižuje dynamické účinky na trať na 60% proti plným kolům (firemní prospekt SAB Wabco) (kolosab.bmp) Zvláštní konstrukční uspořádání vyžadují nízkopodlažní tramvaje. Základní možnosti pohonu jsou schematicky uvedeny na Obr. 31.

Obr. 31 Možnosti řešení nízké podlahy vozidla (nizkopod.dwg) Je možno použít a) co nejmenší kola (viz poznámku v úvodu kapitoly), b) snížit podlahu mezi koly až na úroveň nápravy nebo c) použít kolový pohon. Samotný kolový pohon může mít řadu variant, z nichž některé jsou uvedeny na Obr. 32, při čemž varianta a) nejvíce odpovídá klasickému provedení, místo nápravy je přes čelní převod poháněno jen kolo, b) motor je vestavěn přímo do kola, někdy i s brzdovým kotoučem, s přímým pohonem nebo s planetovou převodovkou, c) jde o speciální uspořádání se svislou osou motoru, d) podobně jako v a), ale s motorem umístěným podílně s kuželovým převodem a kloubovým hřídelem. - 36 -


Obr. 32 Varianty kolového pohonu (nizkopod.dwg) Na Obr. 33 jsou uvedeny další dva případy provedení. V případě a) je kloubový hřídel mezi koly umístěn pod úrovní os kol tak byl splněn profil vozidla. V případě b) jde o skupinový pohon dvou kol na jedné straně vozidla.

Obr. 33 Další varianty pohonu pro nízkopodlažní vozidla (nizkop.dwg) Příklady kolového asynchronního motoru pro nízkopodlažní tramvaj jsou na Obr. 34 a Obr. 35.

Obr. 34 Uspořádání kolového pohonu prototypové nízkopodlažní tramvaje VÖV] [8] (zev376.bmp)

- 37 -


Obr. 35 Kolový pohon s asynchronním motorem s planetovou převodovkou, vodním chlazením a integrovanou kotoučovou brzdou pro tramvaj typ R – Frankfurt (Siemens) [9] (kolmot.bmp) Jiné dělení vychází z toho, kolik náprav (popřípadě kol) je společně poháněno jedním motorem. U elektrických vozidel je nejběžnější pohon individuální, kdy motor pohání jednu nápravu (případně kolo). Při skupinovém pohonu je společně poháněno více náprav, například u tramvají Obr. 28 vlevo, Obr. 29 vpravo nebo francouzských lokomotiv (Obr. 36). U lokomotiv se prosazuje opačná tendence, která směřuje k odstranění převodu vůbec a která se sleduje u německých firem. U starších konstrukcí se užívalo i pohonu jedné nápravy dvou hřídelí.

- 38 -


Obr. 36 Principiální uspořádání sdruženého náhonu francouzských lokomotiv a motorových vozů: a) BB12006, BB12043; b) BB9401, BB15001, Z6006, ZZ6007, ZZ 6009; c) CC10002, C21000.(G=velké kolo, Z=vložené kolo, M=trakční motor, R=pastorek) (sdruzpoh.bmp)

3.2

PŘEVODY A OMEZENÍ ROZMĚRŮ Přehled různých provedení v předchozím odstavci dokumentuje velkou pestrost v řešení pohonu

a zároveň poměrně názorně ukazuje také omezení kladená na motor. Průměr motoru závisí především na průměru kol. Obecně platí, že průměr kol by měl být pokud možno malý, protože •

vede ke snížení neodpružených hmot,

•

umožňuje vyšší otáčky motoru za jistých podmínek - viz ale dále),

•

umožňuje snížení podlahy a tedy větší prostor ve skříni. Průměr kol ovšem musí odpovídat kolovému zatížení a mj. zajistit stabilitu dvojkolí v přímé i

v oblouku (vodicí síly). Mimořádně malý průměr kol u železničních vozidel měly například plošinové vozy pro dopravu kamionů s průměrem kol 360 mm a výškou podlahy 454 mm s nápravovým zatížením 75 kN. Vůz měl 2 čtyřnápravové podvozky.

- 39 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu Konkrétně jsou omezení vnějších rozměrů motoru (tedy i momentu)především dvojího druhu: •

omezení vnějších rozměrů motoru; u příčného uložení je axiální délka motoru omezena velikostí rozkolí (vzdáleností mezi vnitřními plochami kol), zmenšenou o prostor pro převody, spojky a vůle, u podélného je zpravidla omezen průměr požadavkem co nejmenší výšky podvozku při daném profilu v prostoru mezi kolejnicemi.

•

omezení otáček dosažitelným převodem pro jednotlivá uspořádání pohonu, daným průměrem kol a požadovanou rychlostí. Zatímco první omezení je evidentní, druhé budeme sledovat podrobněji na případě tlapového

pohonu s přenosem jedním párem ozubených kol. Snaha po zmenšení motoru vede totiž za jinak stejných poměrů ke zvýšení převodového poměru, jehož realizace může narážet na řadu potíží. Optimální volba musí přirozeně zohlednit všechna hlediska.

Obr. 37 Schématické uspořádání jednoduchého čelního převodu a základní rozměry (prevody.dwg) Na Obr. 37 je schematické uspořádání pohonu s označením jednotlivých veličin. Pro roztečný průměr velkého kola platí r. 41

D2 ≤ Dk min − 2∆1

kde ∆1 je vzdálenost mezi temenem kolejnice a roztečnou kružnicí velkého ozubeného kola a skládá se •

z hodnoty h, dané profilem v příslušném místě (pokud je převodovka odpružená, musí se vzít v úvahu i maximální propružení),

•

z nezbytné vůle s ohledem na výrobní nepřesnosti,

•

ze síly stěny převodovky a prostoru pro mazivo,

•

ze vzdálenosti mezi roztečnou a hlavovou kružnicí, která se rovná modulu (u nekorigovaného ozubení). Pro pastorek pak platí r. 42

D1 ≥ mzmin .

- 40 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu kde zmin=13…17 zubů s ohledem na záběrové poměry. Další omezení mohou souviset s konstrukcí motoru nebo převodovky (možnost nalisování pastorku, průměry ložisek, požadavky montážní aj.). Modul (a šířka ozubení) souvisí s pevností zubů a tedy s přenášeným momentem a je proto omezen zdola. Výsledkem je, že velikost převodu je omezena shora (pro lokomotivní poměry asi hodnotou 4…4,5 při modulu 12mm) r. 43

i=

D2 Dk min − 2∆1 ≤ D1 mzmin

Za předpokladu, že maximální otáčky motoru odpovídají maximální rychlosti vozidla při středně ojetých okolcích platí r. 44 Toto

omezení

s vysokootáčkovými

3,6πDkstř V 3,6πDkstř mzmi 3,6π = ≥ . > .mzmin n 60i 60 Dk min − 2∆1 60 se

uplatní

především

motory (například

u

vozidel

asynchronními).

s nízkou Překonat

maximální je

lze

rychlostí

zásadně

a

pouze

dvoustupňovým převodem, který kromě zvětšené hmotnosti a ztrát více omezuje axiální délku trakčního motoru. Za určitých okolností může být výhodné volit motor s nižšími otáčkami (a větším momentem a tedy i rozměry) a použít jednoduchý převod. Je zřejmé, že ve sledovaném případě je zároveň omezen také vnější průměr motoru r. 45

D1 + D2 = 2c = Dm + Dn + 2∆ 2

kde c je takzvaná centrála a ∆2 je nutná vůle mezi nápravou a motorem. Stejnosměrný motor ovšem nemusí mít plášť válcového tvaru a v případě potřeby může mít v místě nápravy v kostře vybrání. Z r. 45 dostáváme r. 46

Dm ≤ D1 (1 + i ) − Dn − 2 ∆ 2 < Dk (1 + i )

takže průměr motoru je vázán na průměr kola a převod, jehož velikost je omezena. Řešením v případě nutnosti je použití vloženého třetího kola, které nemění výslednou velikost převodu, ale umožňuje zvětšit centrálu za cenu vzrůstu rozměrů a hmotnosti převodovky a jejích ztrát.

- 41 -


Obr. 38 Zvětšení centrály třetím kolem a zvětšení převodu dvoustupňovým převodem (prevody.dwg) Další omezení velikosti pastorku (a tedy i dosažitelného převodu) může představovat například způsob upevnění pastorku na hřídeli motoru. Standardně se pastorek upevňuje na kužel, a to buď vnější nebo vnitřní (vzhledem k hřídeli). Schématicky jsou tyto případy na Obr. 39.

Obr. 39 Varianty upevnění pastorku (nizkop.dwg) V obou případech však musí být pro přenos momentu zajištěna potřebná tuhost spojení dostatečným rozměrem vnější části (viz provedení pastorků na Obr. 47 a Obr. 48). Další částí motorů i převodů, která může omezit maximální otáčky motoru (nebo zkrátit jeho životnost) jsou ložiska. Používají se prakticky výhradně ložiska valivá, mazaná tukem nebo olejem. U asynchronních motorů představují prakticky jediné místo, které je zapotřebí pravidelně udržovat. Vzhledem k obyčejně vyšším otáčkám jde také o část kritickou při jeho návrhu. Souvislost mezi rozměry ložiska a otáčkami může jejich výrobce omezit například empirickým vztahem (v závislosti na konstrukci klece a mazání) r. 47

n.d s ≤ 0,5...1,5.10 6

[ot / min, mm ]

kde

d h ≈ 0,65 ds

Obr. 40 Vztahy mezi rozměry ložiska, hřídele a otáčkami pro kuličková ložiska (vlak1.dwg)

- 42 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu Valivá ložiska mohou být snadno poškozena proudem. Poškození se projeví v závislosti na velikosti protékajícího proudu podle Obr. 41, Obr. 42 (u většího proudu dochází k bodovému svaření, vytržení materiálu a jeho následnému rozválcování).

Obr. 42 Příklady poškození pracovních Obr. 41 Příklad poškození pracovních

ploch valivých ložisek proudem „rýhování“

ploch valivých ložisek proudem: „krátery“,

(„Stromrifflen“),

způsobené

proudy [7] (steyer70.bmp)

velkými

proudy

[7]

způsobené

menšími

(steyer70.bmp) Proto se trakční proud vede izolovaně až na uzemňovač, který proud převádí přímo do nápravy. Na Obr. 43 vlevo je na levý uzemňovač přiveden izolovaně trakční proud, na pravý je uzemněna kostra skříně. Vpravo je naznačeno řešení se zemní sběrnicí, na které jsou spojeny do uzlu trakční proud, kostra skříně a oba uzemňovače. Ložiska jsou při tom izolována. Proti průtoku trakčního proudu jsou ložiska chráněna v obou případech, ve druhém nemůžou ložisky protékat ani případné poruchové proudy (při zkratu na kostru). Izolace ložisek představuje ovšem konstrukční komplikaci. Pokud nejsou ložiska motorů izolována, mohou být poškozena homopolárními proudy (např. u stejnosměrných strojů s nevhodným propojením kompenzačního vinutí), které se uzavírají hřídelí a statorem. Speciální poměry mohou nastat u ložisek asynchronních motorů, napájených z měničů.

Obr. 43 Dva způsoby uzemnění trakčního proudu a kostry vozidla (uzemneni.dwg)

- 43 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 3. Uspořádání elektrického pohonu Ložiska u vozů, které obyčejně nejsou vybaveny uzemňovači a nemají izolaci mohou být ložiska poškozena trakčním proudem vlastního nebo i cizího trakčního vozidla za okolností schematicky znázorněných na Obr. 44 (případ utrhaných spojek mezi kolejnicemi).

Obr. 44 Možnost poškození ložisek vozů trakčním proudem (uzemneni.dwg) Úplnou ochranou je v takovém případě pouze izolace ložisek. Další reálné nebezpečí poškození může vzniknout v depech nebo v dílnách při elektrickém sváření na skříni při současném připojení jednoho pólu (kleští) na kolejnici (kabeláž na vozidle může být částečně rozpojena).

3.3

PŘÍKLADY PROVEDENÍ MOTORŮ Na závěr této kapitoly ocitujeme ještě několik obrázků realizovaných trakčních motorů jako

ilustraci k úvahám a závěrům předchozích odstavců včetně některých méně obvyklých strojů (francouzské synchronní motory).

Obr.

45 Synchronní (ventilový) trakční motor TGV-Atlantique, 300 km/h (rekord 515,3

km/h), 25 kV, 50Hz/1,5 kVss, typ TM 760, 1100 kW. max. 4000 ot/min., výr. GEC Alsthom. Přívod budicího proudu kroužky.[7] (steyer72.bmp)

- 44 -


Obr. 46 Synchronní (ventilový) trakční motor lokomotivy se sdruženým pohonem náprav v podvozku (B´B´) řada BB 26 000 („Sybic“) 200 km/h, 25 kV, 50Hz/1,5 kVss, typ STS 105-37-8, 2800 kW. max. 1930 ot/min., výr. GEC Alsthom. Přívod budicího proudu kroužky [7].(steyer75.bmp)

Obr. 47 Stejnosměrný trakční motor s kompenzací pro napájení z řízeného usměrňovače pro lokomotivu ř. 1014 ÖBB, 160/200km/h, 15 kV, 16,7 Hz typ WM 1301, 1310 kW, max. 2057 ot/min., výr. ABB Österreich [7] (steyer76. bmp)

- 45 -


V

Obr. 48 Asynchronní trakční motor pro hlavové vozidlo ř. 450 Re 4/4 pro S-Bahn Zürich (SBB), max. 130 km/h, typ 4 FRA 3435, 750 kW, max. 3900 ot/min., výr. ABB-Schweiz [7] (steyer88. bmp)

Obr. 49 Asynchronní trakční dvojmotor, uložený podélně v podvozku pro vozy podzemní dráhy v Mnichově typ B 2.7, max. 80km/h, 750Vss, typ BSAI 5643/6D resp. 1 TB2113-2MA03, 2x109,5 kW, max. 3600 ot/min., výr. AEG/Siemens [7] (steyer91. bmp)

Obr. 50 Asynchronní trakční dvojmotor, uložený podélně v podvozku pro vozy podzemní dráhy v Mnichově typ B 2.7, max. 80km/h, 750Vss, typ BSAI 5643/6D resp. 1 TB2113-2MA03, 2x109,5 kW, max. 3600 ot/min., výr. AEG/Siemens [7] (steyer91. bmp)

- 46 -


Obr. 51 Uspořádání asynchronního motoru BAZu 8881/4 1840 kW, max. 4640 ot/min a převodu „GEALEIF“ (AEG) s pastorkem ve dvou ložiscích, převodový poměr 4,087, modul 9,5 mm, trakční motor má jediné ložisko a moment se přenáší membránovou spojkou [10] (gealaif. bmp)

- 47 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 4. Trakční soustavy, zdroje energie

4 TRAKČNÍ SOUSTAVY, ZDROJE ENERGIE V zásadě rozdělujeme vozidla podle způsobu jejich zásobování energií na vozidla závislá odebírající energii z trolejového vedení různého provedení a vozidla nezávislá, která si vezou zásobu energie sebou. Oba způsoby napájení lze při tom kombinovat. Taková vozidla se označují jako hybridní nebo dvouzdrojová.

4.1

STEJNOSMĚRNÁ TROLEJ Napájení vozidel ze zdroje stejnosměrného proudu je historicky nejstarší. Napětí se postupně

zvyšovalo tak jak rostly požadavky na výkon vozidel a vzdálenosti, na které musel být přenášen. V současné době jsou nejčastěji používána následující napětí •

600 V nebo 750 V pro vozidla MHD,

•

1500 V pro městské rychlodráhy a železnice,

•

3000 V pro hlavní dráhy, Omezujícím faktorem při zvyšování napětí byly možnosti stejnosměrných komutátorových

motorů, které pro potřebné výkony nelze hospodárně stavět s napětím na komutátoru větším než asi 1500 V. Pro napětí troleje 3000 V se proto spojují dva motory 1500 V (izolované na napětí 3000V, označení 3000/2 V) trvale do série a tvoří motorové skupiny. Trolejové napětí kolísá nejméně -30...+20%, u MHD často daleko více a závisí •

na délce napájeného úseku,

•

na způsobu napájení (jedno- nebo oboustranné),

•

na konstrukci (průřezu, sestavě) trolejového vedení,

•

na zatížení, jeho kolísání a případném použití rekuperačního brzdění. Zdrojem napětí jsou měnírny, napájené z všeužitečné třífázové sítě, pro MHD většinou z 22 kV

přes diodové šestipulsní můstkové usměrňovače, pro dráhy ze 110 kV sítě přes speciální měničové transformátory a diodové dvanáctipulsní můstkové usměrňovače. Napětí proto obsahuje malou střídavou složku s kmitočtem 300Hz. resp. 600 Hz. Náhradní schéma napájecího obvodu pro železnice obsahuje především •

ohmický odpor v závislosti na provedení v mezích asi 0,06…0,09 Ω/km,

•

indukčnost tlumivky v napáječi v měnírně asi 4 mH na 1 napájecí jednotku,

•

indukčnost vedení asi 0,75…1,0 mH/km,

•

kapacitu vedení asi 20 nF/km,

•

svod asi 85 kΩ/km. Velikost odporu troleje má vliv na kolísání napětí při odběru a na velikost zkratových proudů,

indukčnost na strmost nárůstu zkratových proudů a na nároky na jejich vypínání v měnírně nebo na vozidle. Kapacita spolu s indukčností rozhoduje o rezonančních a vlnových jevech na vedení.

4.2

STŘÍDAVÁ TROLEJ Střídavé napájení umožnilo použít podstatně vyšší napětí a tím i přenos vyšších výkonů s

menšími proudy a ztrátami při větších vzdálenostech napájecích stanic. Používá se prakticky - 48 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 4. Trakční soustavy, zdroje energie výhradně pro železnice. Nezbytné použití transformátoru na vozidle sice vozidlo komplikuje a představuje výrazný nárůst hmotnosti, na druhé straně však umožňuje optimální volbu napětí motoru a použití jeho hospodárné regulace i při stupňové regulaci napětí. Nejrozšířenější jsou soustavy •

2

15 kV, 16 /3 Hz, která bylo zavedena počátkem 20. století pro první rozsáhlé elektrifikované železnice v Německu, Švýcarsku, Rakousku a ve Skandinávii; snížený kmitočet si vynutily vlastnosti střídavého komutátorového trakčního motoru (vznik transformačního napětí a v důsledku toho zhoršená komutace), který byl prakticky výhradně používán

•

25 kV, 50Hz (ev. 60Hz v USA a částečně v Japonsku), jejíž prudký rozvoj souvisí se začátkem výroby křemíkových diod v 60. letech. Kolísání napětí se povoluje -30% až +16…+20%, někdy pouze po omezenou dobu. Pro napájení troleje napětím se sníženým kmitočtem bylo nutno použít rotační soustrojí nebo

přímo jednofázové generátory (nyní polovodičové měniče) a vlastní drážní rozvod. V době, kdy všeužitečná síť svým výkonem stejně potřebám železnic nepostačovala to nebylo považováno za zásadní nedostatek. Hlavní parametry střídavé napájecí stanice a troleje 25 kV jsou •

poměrná reaktance napájecího transformátoru 9,5% při 10/13,5 MVA, 27,5 kV,

•

indukčnost vedení asi 1 mH/km,

•

kapacita vedení asi 15…20 nF/km,

•

svod vedení asi 2,7 MΩ/km,

•

vlnová impedance asi 190…200 Ω.

4.3

NEZÁVISLÁ A KOMBINOVANÁ TRAKCE Jako zdroj energie na nezávislých elektrických vozidlech slouží nejčastěji generátor (dynamo

nebo alternátor s usměrňovačem), poháněný spalovacím motorem. Výkon motoru a dojezd lze za normálních okolností přizpůsobit požadavkům provozu, pro extrémní požadavky se staví vozidla vícedílná nebo se použije více vozidel na vlaku. Základní provedení vozidel s elektrickým přenosem bude popsáno později. Pro malá vozidla, zvláště posunovací lokomotivy, lze energii odebírat z trakční baterie. Nevýhodou je značně omezený výkon a dojezd vzhledem k rozměrům, hmotnosti a v neposlední řadě i ceně a relativně malé životnosti baterií. Účinnost všech zařízení je proto zásadním kritériem. Z hybridních vozidel jsou relativně nejčastější kombinace elektrických závislých vozidel s některým ze zmíněných nezávislých zdrojů, při čemž nezávislý zdroj má často jen omezený výkon. Elektrická závislá vozidla s pomocným spalovacím motorem slouží často pro obsluhu nezatrolejovaných kolejí, vleček apod. na elektrizovaných tratích. Umožňují obyčejně i při nezávislém provozu vyvinout plnou tažnou sílu, ovšem při nízké rychlosti. Jako zdroj pro nezávislý provoz může sloužit (přiměřeně dimenzovaná) vozidlová baterie (maximální napětí obyčejně 110 Vss), pokud slouží pouze pro manipulační jízdy malou rychlostí v depech nebo dílnách, bez zátěže a velmi malou rychlostí. Jinak jsou motory napájeny ze samostatné

- 49 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 4. Trakční soustavy, zdroje energie trakční baterie s přiměřeně vyšším napětím. Pak mohou mít vozidla vlastnosti a využití jako vozidla s pomocným spalovacím motorem, jsou ale tichá a bez exhalací a proto je lze využít pro práci v halách, tunelech podzemní dráhy apod. Nepříjemné prostoje, nutné pro nabití baterií čistě akumulátorových vozidel lze v těchto případech obejít tím, že baterie jsou nabíjeny při provozu pod trolejí, který zpravidla převažuje.

- 50 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel

5 ZÁKLADNÍ PARAMETRY VOZIDEL Hlavní parametry vozidel charakterizují technické provedení vozidla a jeho nejvýznamnější vlastnosti tak, jak jsou určeny požadavky provozovatele. Mohou být vyjádřeny různým způsobem, podrobněji nebo obecněji také v závislosti na typu vozidla, na tom, zda jde o vozidlo univerzální nebo naopak jednoúčelové, již postavené a vyzkoušené nebo teprve projektované atd. Souhrnně udávají parametry železničních vozidel Technické podmínky, jejichž obsah pro ČR určuje příloha 4 k vyhlášce č.173/1995 Sb., kde je definováno přes 300 údajů pro jednotlivé typy železničních vozidel. Řada z nich ovšem vychází až z výsledků zkoušek. Kromě všeobecné charakteristiky (předměstská jednotka, nákladní lokomotiva ap.) patří mezi základní parametry •

trakční soustava (ev. soustavy a jiné zdroje energie),

•

rozchod,

•

jmenovitá hmotnost případně adhezní hmotnost

•

obrys ev. další rozměrová omezení,

•

maximální nápravové zatížení,

•

průměr kol (nový a maximálně ojetý),

•

minimální poloměr oblouku pro traťovou rychlost a omezenou rychlost, obyčejně 10 km/h,

•

trvalý výkon na obvodu kol a/nebo na háku,

•

jmenovitá a maximální rychlost,

•

jmenovitá a maximální (rozjezdová) tažná síla,

•

požadavky na brzdu, elektrickou i mechanickou,

•

údaje o obsaditelnosti, počtu a druhu sedadel, vozové třídě atd.,

•

údaje o hlavních dílech (trakční motory, měniče, transformátor, sběrač atd.). Výkon trakčních motorů může být v zadání přímo udán, častěji se však definují trakční

požadavky, které bývají udány •

dopravovanými zátěžemi a odpovídajícími rychlostmi při daných sklonových poměrech, požadavky na tažné síly při rozjezdu a tažné síly na maximální rychlosti, požadavky na brzdu (její výkon) ap., typicky u lokomotiv,

•

zatěžovacím cyklem resp. vzorovým tachogramem, zrychlením a zpomalením při různé sestavě a obsazení ap., typicky u vozidel MHD. Tyto údaje ve svých důsledcích určují počet a uspořádání náprav, výkon trakčních motorů,

způsob pohonu, provedení skříně, umístění elektrického zařízení, jeho chlazení a další. Technické parametry jsou zpravidla doplněny některými z následujících výkresů a diagramů •

typový výkres (např. Obr.

10), udávající především hlavní rozměry vozidla a jeho celkové

provedení, •

trakční charakteristiky jako závislost tažné síly na rychlosti,

•

brzdové charakteristiky jako závislost brzdné síly na rychlosti (pokud má vozidlo elektrickou brzdu),

- 51 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel •

zátěžový diagram (Korefův diagram), umožňující rychlé určení dosažitelné rychlosti při dané zátěži a sklonu,

•

vzorový tachogram, z něhož je patrný průběh rychlosti a maximálního provozního zrychlení a zpomalení.

5.1

CHARAKTERISTIKY VOZIDEL Podrobněji se nyní zmíníme o základních charakteristikách vozidel, která udávají hlavní provozní

vlastnosti vozidel tak, jak byly zmíněny v závěru předešlé kapitoly. Trakční charakteristika je závislost tažné síly na obvodu kol na rychlosti a udává se pro jmenovité napětí v troleji, středně ujetá kola a další podmínky, které se považují za „standardní“. Zároveň může být do téhož diagramu zahrnuta závislost maximální adhezní tažné síly (nejčastěji podle Curtius-Knifflera), závislost jízdního odporu vozidla na rovině, popřípadě i závislost celkových odporů pro vybrané soupravy a/nebo stoupání, tažná síla na háku aj. U vozidel se stupňovým řízením je parametrem jednotlivých křivek v trakčních charakteristikách jízdní stupeň (odporový, hospodárný šentovací, odbočka na trakčním transformátoru) jak bude podrobně vyloženo dále. U vozidel s plynulým řízením se uvádí jednak parametry ve jmenovitém pracovním bodě a čáry pro jmenovitý proud motorů (které jím procházejí a oddělují režimy využitelné trvale od režimů krátkodobých), jednak maximální dosažitelné tažné síly omezené zpravidla regulací. Posledně uvedený průběh se označuje jako obrys trakčních charakteristik. Příklad trakčních charakteristik lokomotivy s plynulou regulací je na Obr. 52. 300 250 adheze e

Ft [kN]

200

max. proud 150 max.výkon jm. proud

100

jm.výkon Vjm

50 0 0

20

40

60

80

100

120

V [km/h]

Obr. 52 Příklad trakční charakteristiky a omezení adhezí, lokomotiva, jmenovitý/maximální výkon 2400/3120 kW, 82 t, jmenovitá/maximální rychlost 65/130 km/h, jmenovitá/maximální tažná síla 129,6/253 kN (tr_cha1.xls) Souvislost některých významných parametrů elektrické výzbroje s tvarem trakčních charakteristik, především v závislosti na poměru jmenovité a maximální rychlosti budeme přehledně dokumentovat na příkladech v Obr.

53 a dalších. Charakteristiky jsou uvedeny v poměrných hodnotách,

- 52 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel vztažených na trvalý moment a maximální otáčky motoru. Předpokládáme při tom, že maximální rychlost se nemění a že maximální otáčky motoru jí odpovídají, takže se nemění ani převodový poměr a všechny závěry se tedy dotýkají pouze elektrické výzbroje. Kromě toho připomeňme, že jmenovité parametry jsou dány vlastnostmi motorů v trvalém režimu. Maximální parametry jsou na určeny hlavně tepelnými časovými konstantami jednotlivých zařízení, které významně závisí na způsobu chlazení. Proměnné parametry pro tyto příklady jsou v Tab. 1. Poměry v Obr. 53 budeme považovat za výchozí a vůči nim budeme srovnávat jednotlivé varianty. Tyto varianty ukazují především možnosti zvětšení tažné síly (bez ohledu na adhezi). Kromě trakčních charakteristik pro jmenovitý a maximální proud je v grafech znázorněno i omezení v oblasti nejvyšších rychlostí, dané u stejnosměrných motorů omezením komutací a u asynchronních omezením momentu zvratu. V obou případech má omezení přibližně tvar hyperboly 2. stupně. První z možností zvětšení maximálních tažných sil je zvětšení poměrného přetížení. V praxi to znamená zvýšené tepelné namáhání izolace motoru a v případě použití měničů i jejich zvýšené dimenzování. Velikost motoru se nemění, ale na rozdíl od základního případu se uplatní omezení tažné síly (proudu) v oblasti nejvyšších rychlostí (Obr. 54). Tab. 1 Parametry charakteristik Obr. 53

Obr. 54

Obr. 55

Obr. 56

Obr. 57

Poměr jmenovité a maximální rychlosti

0,5

0,5

0,5

0,375

0,15

Přetížitelnost (momentová)

1,5

2,0

1,5

1,5

1,0

Poměrný výkon motoru

1,0

1,0

1,33

1,0

0,5

Poměrný jmenovitý moment (rozměry)

1,0

1,0

1,333

1,333

1,667

Graf

2,0 1,8 Poměrná tažná síla

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Poměrná rychlost

Obr. 53 Základní případ (trcha3.xls)

- 53 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel

2,0

Poměrná tažná síla

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Poměrná rychlost

Obr. 54 Zvětšená přetížitelnost motoru, zvýšené dimenzování měničů(trcha3.xls) Další možností je použití výkonnějšího motoru, kterým lze při zvolených poměrech dosáhnout s původním přetížením maximálních tažných sil jako v předchozím případě. Motor (i případný měnič) je ovšem větší (Obr. 55).

2,0


1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Poměrná rychlost

Obr. 55 Zvýšený výkon motoru i měničů (trcha3.xls)

- 54 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky


5. Základní parametry vozidel

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Poměrná rychlost

Obr. 56 Zmenšený otáčkový poměr, zvětšení motoru (trcha3.xls) Jinou možností jak dosáhnout větších tažných sil bez změny přetížení a výkonu motoru je snížení jmenovitých otáček a tedy otáčkového poměru podle Obr. 56. Poměry jsou voleny tak, aby srovnání bylo jednoduché. Motor má sice stejný výkon, ale vzhledem k většímu momentu bude větší. Tento postup se používá pro úsporu výkonu měničů i u rychlíkových lokomotiv. Pro dosažení potřebných tažných sil v okolí maximální rychlosti je pak ale třeba zároveň zvýšit výkon, což efekt snížení otáčkového poměru v podstatě vyrovná. 2,0 1,8 Poměrná tažná síla

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Poměrná rychlost

Obr. 57 Typická charakteristika nezávislého vozidla se spalovacím motorem (trcha3.xls Konečně na Obr. 57 je typická trakční charakteristika motorové lokomotivy. Protože se požaduje využití výkonu prvotního motoru v co nejširším rozsahu otáček (rychlostí) je třeba volit otáčkový poměr malý. Také výkon motoru bývá malý vzhledem k jeho rozměrům a hmotnosti (o souvisejících problémech bude podrobněji pojednáno na jiném místě).

- 55 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel Otáčkový poměr, definovaný

ν =

r. 48

V jm Vmax

≤1

je důležitým parametrem a je pro určité typy vozidel charakteristický. Jak bylo právě ukázáno, má významný vliv jak na vlastnosti vozidla tak i na návrh elektrické trakční výzbroje. Poměr ν je důležitý také u vozidel s požadavkem na velké střední rozjezdové zrychlení, které odpovídá přibližně střední rozjezdové tažné síle. V závislosti na rychlosti má úsek konstantní a úsek hyperbolický, takže pro střední hodnotu rozjezdové tažné síly platí

r. 49

astř ≈ Fstř =

Vmax νVmax  νVmax 1   F .dV = F . dV + F dV max max  = Fmaxν (1 − lgν ) Vmax  V  ν 0 0 V max  

Vmax

1 Vmax

∫

∫

∫

Fstř nabývá v závislosti na ν hodnoty podle Tab. 2. Zároveň ovšem rostou nároky na napájecí měniče takže je třeba volit vhodný kompromis. Zvyšování otáčkového poměru je z tohoto hlediska účelné jen do určité míry. Tab. 2 Závislost střední rozjezdové tažné síly na otáčkovém poměru. ν

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1,0

ν(1-lgν)

0,33

0,52

0,66

0,77

0,85

0,91

0,95

1,00

Brzdové charakteristiky se týkají elektrodynamické brzdy a udávají závislost maximální brzdné síly na rychlosti. Kromě tramvajové brzdy (a jí podobných) je jejich řízení plynulé a proto se udává obrys charakteristik. V závislosti na provedení mají nejčastěji tvar podle následujících obrázků. Typický průběh brzdové charakteristiky při odporové brzdě do neregulovaného odporníku je na Obr. 58. 200

Fb [kN]

150

100 50 Vmax 0 0

20

V1

40

omezení buzením

60 80 100 120 V [km/h] omezení výkonem

Obr. 58 Odporová brzda při brzdění do neregulovaného odporníku (cbrzda1.xls)

- 56 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel „Špička“ na charakteristice nemá pro celkový brzdný účinek valný význam, představuje však nebezpečí vzniku smyku při brzdě. Proto se často brzdná síla proti obrysu z Obr.

58 omezuje

s ohledem na adhezi. Dostáváme pak průběh podle Obr. 59. 200

Fb [kN]

150

100 50 0 0

20

40

60

80

100

120

V [km/h]

Obr. 59 Odporová brzda s omezením (cbrzda1.xls) Podstatně lepší účinek odporové brzdy se dosáhne, pokud je možné (plynulé) řízení (efektivní) velikosti brzdového odporu (viz dále). Brzdová charakteristika má pak za stejných okolností tvar po Obr. 60. 200

Fb [kN]

150

100 50 0 0

20

40

60

80

100

120

V [km/h]

Obr. 60 Odporová brzda s řízeným odporem (cbrzda1.xls) Rekuperační brzda má v zásadě tvar obdobný tvaru trakční charakteristiky, omezení mohou být ovšem více nebo méně rozdílná s ohledem na provedení vozidla. Především pro lokomotivy má význam zátěžový (Korefův) diagram. Jde v podstatě o nomogram, který umožňuje rychlé určení provozních možností daného vozidla. Trakční vozidlo je charakterizováno hmotností, trakční charakteristikou a svým poměrným jízdním odporem, vlak poměrným jízdním odporem a hmotností. V souřadnicích Fs – Gv jsou do diagramu vyneseny dvě soustavy přímek, které reprezentují dvě závislosti: •

Velikost tažné síly, potřebné pro jízdu vlaku o hmotnosti Gv stálou rychlostí v závislosti na stoupání s (parametr). Zřejmě platí

- 57 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel r. 50

Fs = g (GL + Gv ) s = f1 (Gv , s ) 0

což je svazek přímek, který se protíná v bodě –GL na ose x. Přímky jsou rozlišeny parametrem s /00. •

Tažná síla pro rychlost V [km/h] jako parametr pro dané vlastnosti trakčního vozidla a vlaku. Postupně zřejmě platí r. 51

FOK (V ) = F0 + Fs = g GL p0L (V ) + g GV p0V (V ) + Fs

Fs = FOK (V ) − g GL p0L (V ) − g GV p0V (V ) = Fh (V ) − g GV p0V (V ) = f 2 (GV ,V ) − − − − − Fh − − − −

Tažná síla na háku Fh je dána zřejmě rozdílem tažné síly na obvodu kol a tažné síly pro překonání jízdních odporů lokomotivy, obojí pro zvolenou hodnotu V. Hodnoty tažné síly se většinou berou podle obrysu trakčních charakteristik, mohou se použít ale i hodnoty odpovídající režimu trvalému. Pro trakční charakteristiku podle Obr.

52 a typické hodnoty poměrných jízdních odporů

dostaneme diagram podle Obr. 61. 200 40 km/h 65 km/h 150 Fs [kN]

20 prom.

15

90 km/h

100

10

110 km/h 5

50

0 0

200

400

600

800

1000

Gv [t]

Obr. 61 Zátěžový diagram (tr_cha1.xls) Odtud lze pohledem určit jakou zátěž lze do jakého stoupání zvolenou rychlostí táhnout, 0

0

0

například vlak 850 t do 5 /00 rychlostí asi 110 km/h, do 10 /00 asi 85 km/h, do 15 /00 asi 65 km/h atd. 0

2

Když uvážíme, že např. 10 /00 stoupání odpovídá urychlení zhruba 0,1 m/s lze použití grafu dále rozšířit. Pro vozidla MHD a jim charakterem provozu podobná nemají právě uvedené charakteristiky rozhodující význam, protože se týkají především poměrů v ustálených nebo poměrně pomalu se měnících režimech (vztaženo na oteplovací časové konstanty strojů). Pro vozidla, kde záleží především na velikosti zrychlení při rozjezdu a brzdění, kdy jsou trakční obvody silně, ale krátkodobě přetěžovány se trakční požadavky zadávají vzorovým tachogramem, jízdními dobami 2

nebo středním zrychlením a zpomalením za daných podmínek (počet cestujících na m , stoupání apod.). Tachogram může vycházet přímo z průběhu jízdy na konkrétním traťovém úseku, pro který je vozidlo určeno nebo odpovídat například typickým podmínkám.

- 58 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 5. Základní parametry vozidel Typický tachogram je znázorněn pro jednoduchý případ v Obr.

62. Zahrnuje fázi rozjezdu

(obyčejně po obrysu charakteristik), dále jízdu rovnoměrnou rychlostí (maximální pro vozidlo nebo traťový úsek) a brzdění maximálním provozním brzdným účinkem. Tento režim odpovídá maximálnímu zatížení trakčních obvodů a minimální jízdní době.

Obr. 62 Vzorový tachogram (tacho.dwg) K tachogramu se určí průběh trakčního proudu a odtud oteplení jednotlivých uzlů trakčního obvodu. Zřejmě záleží na tom, zda je použita elektrodynamická brzda (u těchto vozidel dnes prakticky vždy). Pro předběžný odhad se na střední zatížení usuzuje často z poměru efektivního proudu motorů v průběhu celého cyklu k jejich trvalému proudu (s přihlédnutím ke způsobu chlazení). Předpokládá se, že takový tachogram se opakuje se zadanou dobou pobytu v zastávkách až do ustálení tepelných poměrů. Oteplení žádné části zařízení nesmí při tom překročit dovolené meze. Tento postup lze realizovat výpočtem při návrhu zařízení, skutečnost se kontroluje provozní zkouškou. Zásadně je třeba zvlášť posuzovat velikosti •

proudu v motorech, které určují jednak moment (tažnou sílu), oteplení vinutí resp. potřebu chlazení a

•

proud odebíraný z troleje, který určuje odebíraný výkon a v časovém integrálu odebranou energii (u střídavých systémů spolu s opravdovým účiníkem), úbytek napětí a ztráty ve vedení, případně velikost rušení (v důsledku jeho střídavé složky).

- 59 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 6. Interakce s okolím

6 INTERAKCE S OKOLÍM Vozidla se stýkají s okolím mnoha různými způsoby, jsou okolím ovlivňována a naopak okolí ovlivňují. Toto ovlivňování je většinou vázáno příslušnými předpisy a normami tak, aby byla zajištěna bezpečná koexistence. Příslušné požadavky představují často významné omezující podmínky pro stavbu a provoz vozidel.

6.1

POJEZD A KOLEJ Na kolejnice se prostřednictvím pojezdu přenáší svislé, příčné a podélné síly. Tyto síly se dále

přenáší přes pražce na štěrkové lože a těleso dráhy. Na jejich provedení záleží odolnost resp. stabilita koleje při působení zmíněných sil. Svislé síly jsou dány jednak statickým zatížením od hmotnosti vozidla a jsou vyjádřeny nápravovým zatížením, jednak se jedná o síly dynamické, jejichž velikost je dána rychlostí, kvalitou trati a vypružením. Příčné síly jsou vyvolány vedením dvojkolí v přímé (sinusový pohyb) i v oblouku a jsou závislé na rychlosti, poloměru oblouku, rozchodu a uspořádání pojezdu (na způsobu vedení náprav, rozvoru atd.). Obecně jsou požadavky na chodové vlastnosti v přímé a v oblouku protichůdné. Dodejme, že nucené naklápění vozové skříně užívané v poslední době nemá na jejich velikost vliv, pouze zajišťují komfort cestujícím. Podélné síly jsou síly tažné a brzdné. Pokud jsou přenášeny přes kola adhezí jsou v obou případech jsou omezeny. Při neadhezním brzdění se síly mohou přenášet na kolejnice přímo (kolejnicové magnetické brzdy, vířivé kolejnicové brzdy). Kromě přenosu sil se kolejnic využívá ke zpětnému vedení trakčního proudu. Kolejnicemi teče mimo okolí vozidla jen menší část proudu, odebíraného z troleje (u stejnosměrné trakce asi 50%, u střídavé vzhledem k indukčnosti kolejnic jen asi 10%). Pro zlepšení vodivosti musí být jednotlivé kolejnicové pásy propojeny měděnými flexibilními spojkami. Pro uzemňování zařízení podél trati (stožáry) platí speciální předpisy. Dále jsou kolejnice využívány některými typy kolejových obvodů pro indikaci obsazení koleje a pro přenos návěstních znaků na vozidlo. Zajištění koexistence trakčních a sdělovacích proudů v kolejnicích bez nebezpečného ovlivnění vyžaduje velmi robustní technická řešení. K základním parametrům koleje kromě rozchodu a typu kolejnic (základním parametrem je hmotnost na 1 m délky) patří také obrys, který se udává jako statický (na vodorovné, přímé koleji v klidu resp. při malých rychlostech) nebo dynamický. V oblouku ovšem zaujímá vozidlo polohu tětivy a proto v závislosti na minimálním poloměru oblouku, jeho délce a uspořádání pojezdu (vzdálenosti otočných čepů, délce převislých konců) nemůže vozidlo využít plnou šířku průjezdného profilu (alespoň ne v celé délce).

6.2

SBĚRAČ Trolejový sběrač je složitý elektromechanický přístroj specifický právě pro vozidla.

Trolejbusy používají sběrače tyčové, u podzemních drah se používají boční sběrače na podvozcích,

- 60 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 6. Interakce s okolím určené pro odběr proudu ze třetí kolejnice. V ostatních případech se jedná prakticky vždy o pantograf resp. polopantograf. Jeho nejdůležitějšími charakteristikami jsou •

provozní rozsah sběrače ve svislém směru (výška zaklesnutého sběrače, minimální a maximální pracovní výška); v celé pracovní výšce musí být dodržen to je 100 N, pro systém 25 kV, 50Hz 65 N),

•

šířka lišty daná především klikatostí vedení a profilem pro sběrač,

•

provozní napětí určuje velikost podpěrných izolátorů (a spolu s ostatními rozměry v podstatě i výšku střechy a rozměry strojovny) a velikost vzdušných izolačních vzdáleností, především v nejnižší pracovní ev. i v zaklesnuté poloze (pokud mohou být sběrače propojeny),

•

velikost odebíraného proudu je kritická především u stejnosměrných systémů a to především v klidu (jedná se pak o proud vlastní spotřeby a topení vlaku); dovolené odběry závisí na materiálu obložení, který přichází do styku s trolejí (měď nebo uhlík, tvrdý nebo v různých úpravách pro zvýšení vodivosti a odolnosti proti opotřebení),

•

maximální provozní rychlost; s rychlostí rostou síly, které zvětšují nebo zmenšují přítlak a mohou způsobit odskoky sběrače, jiskření a s tím spojené opotřebení a rušení. Posledně uvedené síly působící na sběrač (přesně ji na jeho pohyblivé části, zejména lyžiny) jsou

•

aerodynamické síly, které mění přítlak sběrače v závislosti na jeho umístění (způsob obtékání vzduchem při jízdě),

•

dynamické síly, vznikající svislými pohyby sběrače v důsledku proměnné výšky a tuhosti troleje a hmotnosti pohybující se části sběrače, především lyžiny. Kromě trolejového sběrače jsou vozidla vybavena zpravidla několika nápravovými sběrači, které

zajišťují přechod trakčního proudu do nápravy mimo ložiska. Bývají umístěny na čele nápravy nebo v rozkolí a jsou obdobou kroužků elektrických strojů.

6.3

NAPÁJECÍ SÍŤ Napájecí síť je pro závislá vozidla zdrojem energie. Jak bylo vyloženo, odpovídá přenášenému

(činnému) výkonu u stejnosměrného systému součin střední hodnoty napětí a proudu, u střídavé součinu efektivních hodnot prvních harmonických a příslušného účiníku. Při přenosu tohoto výkonu vznikají nevyhnutelné ztráty na odporu vedení a v napájecích zařízeních. U střídavého systému působí ovšem ztráty a úbytky napětí i jalová složka proudu, která je důsledkem změny rozptylových magnetických toků v celém napájecím obvodu a je úměrná sinu fázového posunu. Pokud jsou na vozidlech použity polovodičové měniče (nebo transformátory se silně magneticky syceným jádrem), vznikají jejich působením vyšší harmonické, pro které je proudovým zdrojem vozidlo a jsou vnucovány do napájecího obvodu. Tyto proudy také nepřenáší činný výkon, ale působí ztráty v napájecím systému. Navíc působí zkreslení křivky napětí a jsou zdrojem elektromagnetického rušení v okolí trakčního vedení. Všechny uvedené okolnosti se shrnují pod pojem zpětné působení vozidla na napájecí síť. Z toho, co bylo řečeno, je jasné, že na velikost zpětných vlivů mají vliv i parametry napájecí sítě (především reaktance u střídavých sítí) a ne pouze vlastnosti samotného vozidla.

- 61 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 6. Interakce s okolím V užším pojetí se ve střídavé soustavě považuje za (negativní) zpětné vlivy především: •

fázový posun první harmonické proudu proti napětí, který působí diodové nebo tyristorové usměrňovače, reaktance trakčního transformátoru, napájecí sítě a transformátoru v napájecí stanici,

•

harmonické proudy a napětí zhruba asi do 1...2 kHz, o kterých lze více méně předpokládat, že jejich obsah se v ustáleném režimu příliš nemění; lze je stanovit (i při návrhu) harmonickou analýzou skutečného (nebo vypočteného) průběhu a projevují se periodickým zkreslením průběhů,

•

střídavými složkami, jejichž kmitočet není násobkem základního kmitočtu (např. 50 Hz a to teoreticky jen lichými násobky). Posledně uvedené složky jsou způsobeny zejména

•

proměnlivostí režimu, přechodovými ději, nestabilitou kmitočtu a parametrů (pohyb vozidla),

•

spínacími jevy, jiskřením na sběrači a komutátorech motorů nebo impulsními a podobnými jednorázovými jevy se spojitým spektrem,

•

rezonančními jevy na LC parametrech sítě a vstupních LC filtrech vozidel a vlnovými procesy ve vedení. Tyto příčiny prakticky nelze předem výpočtem ohodnotit a působí především rušení. Na okolí působí nejen proudy, tekoucí trolejí ale také proudy, vracející se do měnírny či napáječky

kolejnicemi a zemí. Zatímco střídavé proudy působí nejvýše ohřev kovových zařízení, kterými protékají (kabelů, potrubí, konstrukcí ap.), působí stejnosměrný proud – „bludné proudy“ elektrolytickou korozi, která může být velmi nebezpečná.

6.4

KOMUNIKACE Moderní trakční vozidla jsou zpravidla vybavena bezdrátovými komunikačními zařízeními. Jde

především o dispečerské spojení v pásmu VKV 160 MHz a/nebo 450 MHz mezi strojvedoucím a dispečerem, kterým jsou vybavena prakticky všechna trakční vozidla ČD (i jiných drah, ovšem s jinými systémy). Toto spojení může být doplněno spojením pro přenos informací (dat) nejrůznějšího druhu (pro řízení jízdy vlaku, zabezpečení - viz následující odstavec, přenos informací z vozidla na pevné stanoviště - např. údaje o provozu, diagnostické údaje aj.). Pro cílové brzdění resp. pro automatické vedení vlaku je nezbytné umožnit zařízení na vozidle určit bezpečně polohu vozidla na trati. To vyžaduje nějakou formu komunikace s vozidlem v konkrétním, známém a stálém místě na trati. Pro systém vyvinutý VÚŽ se na ČD používá soustavy permanentních magnetů upevněných předepsaným způsobem na pražcích. Jejich magnetické pole při průjezdu vozidla spíná citlivá relé. Přenášená informace v tomto případě reprezentuje adresu informačního bodu, podle níž lze určit nejen polohu, ale i význam tohoto bodu pro další činnost zařízení. V jiných případech může být přenášená informace proměnná (běžné u zabezpečovacích zařízení) nebo může být informace přenášena i z vozidla na trať (a dál). Všechny tyto komunikační prostředky nesmí být ve své činnosti rušeny trakčními, pomocnými případně řídicími obvody.

- 62 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 6. Interakce s okolím

6.5

ZABEZPEČENÍ Existuje velké množství typů zabezpečovacích zařízení. Základní dělení rozlišuje systémy

liniové a bodové. Možné, velmi účinné a ovšem i nákladné jsou systémy kombinované. Liniové systémy pro svou činnost využívají buď přímo kolejnicové pásy, nebo mají sice vlastní vedení (např. ve formě kabelových smyček mezi kolejnicemi), ovšem v souběhu s kolejnicemi. V obou případech (v prvním ovšem bezprostředně) dochází k ovlivňování činnosti tohoto zařízení trakčními proudy. Bodové systémy přenáší informaci na vozidlo jen v pevně daných místech a mají zřejmě vazbu s trakcí podstatně volnější. Zabezpečovací zařízení využívají velmi robustních principů, avšak závisí na nich bezpečnost dopravy a proto jejich požadavky vůči trakčnímu zařízení jsou poměrně přísné a v každém případě kategorické.

6.6

ELEKTROMAGNETICKÉ RUŠENÍ Problémy s elektromagnetickým rušením nebo naopak s elektromagnetickou kompatibilitou (EMI)

rostou v poslední době úměrně s rozvojem výkonových měničů jako výkonných zdrojů na jedné straně a číslicové techniky jako citlivých přijímačů na straně druhé. Celé kmitočtové pásmo, ve kterém se rušení uplatňuje lze rozdělit do dílčích pásem, která zhruba odpovídají typickým zdrojům, způsobům šíření a rušeným zařízením. Za nejnižší pásmo lze považovat pásmo akustických kmitočtů asi 16.Hz..20kHz. Rušení se přenáší prakticky magnetickou (ev. galvanickou) vazbou a ovlivňuje srozumitelnost telefonních spojení. Mírou rušení je psofometrické napětí (nebo proud), které je integrální číselnou charakteristikou pro celé akustické pásmo. V tomto pásmu pracují také různá zabezpečovacích zařízení, která bývají ovšem úzkopásmová (pracují na vybraných kmitočtech např. 25 Hz, 50 Hz, 75Hz, 275Hz, 3 kHz, 12 kHz aj.). Další kmitočtová pásma zahrnují rozhlasové kmitočty od dlouhých po krátké vlny (150 kHz...20 MHz), pásmo VKV, UKV a radarových kmitočtů. Rušení se přenáší vyzařováním z antény resp. dílu, který ji nahrazuje. Hlavní ochranou je stínění s dostatečnou hustotou a minimální indukčností. Pro měření se používá cejchovaný selektivní přijímač se sadou antén pro jednotlivá pásma (rámová, dipól). Dovolené úrovně rušení jsou dány normou. Rušení, generované trakčním zařízením vozidla může přirozeně ohrozit i činnost vlastního řídicího systému tím spíš, že je zdroji nejblíže. Obranou je především vhodné konstrukční řešení, způsob uložení vedení, stínění a uzemnění. Poměry jsou stanoveny normou.

6.7

HLUK Stále sledovanějším faktorem, který ovlivňuje okolí je hluk. Jedná se o hluk uvnitř vozidla, v

prostorech pro cestující, na stanovišti a o hluk vyzařovaný do okolí (při stání ve stanici a při průjezdu). Úroveň hluku se měří zařízeními, obsahujícími v podstatě měrný mikrofon, zesilovač s váhovými filtry s různým útlumem pro jednotlivé kmitočty a logaritmickým efektivním voltmetrem. Hodnoty se

- 63 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 6. Interakce s okolím udávají v dB s udáním typu použitého filtru (dBA). Metoda měření a meze pro jednotlivé případy udává norma. Zdrojem hluku je sice vždy mechanické chvění, ale z hlediska technického (možnosti jeho omezení ap.) můžeme zdroje na vozidlech rozdělit na bezprostředně mechanické a elektrické (související bezprostředně s činností nějakého elektrického zařízení). Do první skupiny patří například hluk, vznikající při pohybu kola po kolejnici, případných skluzech nebo smycích, hluk převodů, ložisek, aerodynamický hluk při obtékání vzduchu kolem skříně, sběrače či kolem jiných vnějších zařízení za jízdy, hluk při mechanickém brzdění ap. Lze sem zařadit i hluk od činnosti kompresoru a dalších pneumatických zařízení. Do druhé skupiny patří především hluk ventilátorů pro chlazení elektrického zařízení. Jeho velikost záleží kromě velikosti ventilátoru především na obvodové rychlosti oběžných kol. Kapalinové chlazení je naproti tomu velmi tiché. Hluk přirozeného chlazení závisí podstatně na umístění zařízení a patří k hluku aerodynamickému. Podobně se uplatňuje hluk ventilátoru motoru s vlastním chlazením. Dalším zdrojem hluku jsou magnetické obvody transformátorů a tlumivek. Hluk zařízení pracujících s kmitočtem 50 Hz (a tím spíše 162/3 Hz) není příliš významný, protože váhové koeficienty pro příslušné kmitočty (100 resp. 33,3 Hz) jsou malé. Jiná situace je u zařízení (zvláště tlumivek, ale i ostatních součásti), která pracují s vyššími a často proměnnými kmitočty (střídače, pulzní měniče). Nepříjemným zdrojem hluku (i když se většinou při měření neuplatní) jsou rázy při spínání velkých stykačů a vypínačů (např. hlavní tlakovzdušný vypínač střídavých lokomotiv). Problematika hluku a způsob jeho omezení představuje samostatný obor. Obecně platí, že potřebná opatření je nutno zajistit již při návrhu celého zařízení. Dodatečné úpravy jsou pracné, nákladné a málo účinné. Předběžný výpočet může sice postihnout vlastnosti zvukové izolace, ale jen obtížně vlastnosti zdrojů hluku.

- 64 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 7. Součásti měničů

7 SOUČÁSTI MĚNIČŮ Měniče tvoří významnou část elektrické výzbroje moderních vozidel. Jejich součásti můžeme rozdělit na •

polovodičové součásti, především spínací součásti, které realizují řídicí algoritmy ve výkonovém obvodě a diody,

•

součásti pasivní, tlumivky a kondenzátory jako elementy se schopností akumulovat energii a případně odporníky pro tlumení přechodných jevů (například při nabíjení filtrů),

•

součásti ochranné, měřicí a řídicí,

•

konstrukci, která musí zajistit kromě izolačních požadavků a požadavků na chlazení také minimální indukčnost kritických vodičů, mechanickou odolnost, přístupnost, minimální rozměry a vhodné uspořádání s ohledem na umístění na vozidle, krytí proti vnějším vlivům a ochranu proti vyzařování rušení. Je zřejmé, že konstrukce představuje průsečík mnoha různorodých a často protichůdných

požadavků a rozhoduje čím dál tím více o úspěšnosti celého řešení.

7.1

POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTI Polovodičové součásti jsou aktivními součástmi měničů. V trakčních a pomocných obvodech se

používá velmi široké spektrum součástí od středních do nejvyšších parametrů jak to odpovídá výkonům od desítek kW (pomocné pohony a malá vozidla) až po MW. Trvalou součástí měničů jsou diody, dnes ovšem specializované pro různá použití od usměrňování průmyslového kmitočtu až po speciální rychlé diody v odlehčovacích obvodech GTO tyristorů. Jejich napěťové a proudové parametry jsou standardizovány a jsou vyráběny mnoha výrobci v širokém sortimentu. Další vývoj se týká především dynamických parametrů ("měkké" diody, rychlé diody atd.) Ještě nedávno klíčová součást, tyristor, ať ji v provedení RBT (zpětně závěrný) nebo RCT (zpětně propustný), je dnes v nových konstrukcích na ústupu. Řízené usměrňovače pro trakci mají relativně špatné energetické vlastnosti a pro pomocné pohony se používají přednostně třífázové asynchronní motory. Také proudové střídače a střídače pro napájení synchronních motorů, které využívají tyristory, se používají již poměrně zřídka. Velký rozvoj dosáhly v nedávné době GTO tyristory (vypínatelné tyristory), které velmi rychle vytlačily normální tyristory ze všech aplikací s nuceným vypínáním a zároveň odsunuly do historie neobyčejně široce rozpracovanou problematiku příslušných vypínacích obvodů. Jejich maximální parametry dosahují 4500 až 6000 V závěrného napětí a 3000 až 4000 A vypínaného proudu. Pro svou činnost však vyžadují poměrně velmi výkonné řídicí obvody a složité odlehčovací obvody (snubbery), které jsou podmínkou bezpečné funkce a také příčinou ztrát přibližně stejně velkých jako v GTO tyristoru samotném. Při značných výkonech měničů je odvod vzniklého tepla klíčovým konstrukčním problémem. Před několika lety se objevil GTO významný soupeř v podobě IGBT s maximálními parametry dnes (rok 2002) 6300 V závěrného napětí a 1200 A proudu. V podstatě jde o kombinaci bipolárního

- 65 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 7. Součásti měničů (ve výkonové části) a FET (v řídicí části) tranzistoru. Nepoměr proudu mezi IGBT a GTO je pouze zdánlivý. Pro IGBT jde o proud, který je dán ztrátami resp. použitým chlazením podobně jako u jiných součástí, kdežto vypínací proud GTO představuje nepřekročitelnou hranici podobně jako např. závěrné napětí, kterou přirozeně nelze využívat. Běžně lze využívat asi 40...50% hodnoty vypínacího proudu, což odpovídá 1200...1500 A u GTO na 3000 A. Dalšími výhodami IGBT jsou •

řádově menší řídicí výkon (vzhledem k řídicímu obvodu se jedná vlastně o FET),

•

možnost paralelního řazení (teplotní součinitel úbytku v předním směru může být kladný na rozdíl od ostatních dosud jmenovaných součástí),

•

konstrukční provedení ve formě bezpotenciálového modulu, což významně zjednodušuje konstrukci (nejsou zapotřebí vysoké stahovací síly v desítkách kN) i chlazení, zvláště při použití kapaliny (kapalina může zůstat pro celý měnič na zemním potenciálu, lze použít vodu),

•

při vhodné (bezindukční) konstrukci vystačí s velmi jednoduchými ochrannými obvody proti přepětí,

•

při použití odpovídajících řídicích obvodů (driverů) umožňují účinnou nadproudovou ochranu,

•

vyznačují se vysokou rychlostí spínání a zhruba o řád nižšími spínacími ztrátami v porovnání s GTO. Poslední výhoda je ovšem poněkud kontroverzní. Vysoký kmitočet sice odpovídajícím způsobem

snižuje potřebnou velikost kondenzátorů, tlumivek nebo filtrů, avšak vysoká rychlost spínání má za následek rychlé změny napětí a proudů. Tím •

vzniká podstatně širší spektrum rušivých kmitočtů s vyššími kmitočty,

•

strmé nárůsty napětí mohou působit poškození izolace elektrických strojů,

•

a vlnové jevy i na krátkých vedeních s následným přepětím v místech změny vlnové impedance (a v důsledku toho také ohrožení izolace strojů). Další perspektivu snad budou představovat MCT tyristory, které zjednodušeně představují spojení

GTO tyristoru ve výkonové části s FETem v řídicí části. Cílem je dosáhnout vysokých napěťových a proudových parametrů GTO s jednoduchými a nízkovýkonovými řídicími obvody typu IGBT. Předpovědi v odborné literatuře se velmi liší. Zatím se jedná o vzorky nebo nanejvýše poloprovozní výrobu. Po stránce konstrukční se s výjimkou IGBT jedná o provedení pastilkové, jehož výhodou je dvoustranné chlazení, ovšem za cenu značných konstrukčních komplikací s odvodem tepla, stahovacími silami a izolačními vzdálenostmi při požadavku minimální indukčnosti přívodů.

7.2

TLUMIVKY Tlumivky se používají ve střídavých, ale především ve stejnosměrných trakčních obvodech. V

každém případě se využívá jejich schopnosti akumulovat energii v podobě magnetického pole a (s určitými ztrátami) ji opět vracet do obvodu jako součásti filtrů. Z hlediska obvodového se nejčastěji používají •

pro vyhlazení proudu při napájení stejnosměrných motorů nebo asynchronních motorů napájených z proudového střídače, vytváří spolu s předřazeným měničem a jeho regulací proudový zdroj pro napájení těchto motorů,

- 66 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 7. Součásti měničů •

pro omezení rychlosti nárůstu proudu při rychlých změnách napětí; potíže často vznikají tím, že energii, kterou tlumivka při nárůstu proudu akumuluje, je posléze nutno někam odvést, převést do kapacity a nakonec většinou změnit v teplo (odlehčovací obvody GTO),

•

jako součásti LC filtrů, především vstupních filtrů pro pulzní měniče a napěťové střídače; zde je rozhodující především vlastní kmitočet filtru, který určuje kmitočtovou charakteristiku (útlum) filtru,

•

jako součásti rezonančních filtrů na stejnosměrné straně pulzního usměrňovače nebo pro potlačení vybraných harmonických v primárním proudu,

•

jako tlumivky (reaktory) pro omezení zkratových proudů nebo zvětšení indukčnosti ve střídavých obvodech (sériové tlumivky ve fázových přívodech asynchronních motorů, napájených ze střídače),

•

jako tlumivky (součásti filtrů), které omezují šíření rušení, kde je rozhodující především minimální parazitní kapacita. 2

Pro konstrukční provedení je rozhodující typový výkon zhruba úměrný součinu LI

tj.

akumulované energii. Velké tlumivky se zpravidla opatřují magnetickým stíněním, popřípadě i jádrem s mezerou, a to často i u těch, které mají mít konstantní indukčnost. Při stísněných prostorových možnostech ve vozidle se totiž i "vzduchová“ tlumivka nachází v těsné blízkosti kovových, většinou ocelových konstrukčních dílů a magnetický tok tlumivky v nich vyvolává těžko odhadnutelné vířivé proudy, oteplení, kmitání, hluk atd. Obecně jsou tlumivky vzdor své principiální jednoduchosti zařízení výpočtově, výrobně i při měření parametrů náročná, a to zvláště při stejnosměrné předmagnetizaci, při průchodu proudu s velkým obsahem harmonických, při strmých změnách proudu apod. Velké tlumivky se obyčejně nuceně chladí, buď vzduchem (většinou na stejnosměrných vozidlech) nebo olejem (zpravidla společně s trakčním transformátorem střídavých vozidlech).

7.3

KONDENZÁTORY Na rozdíl od tlumivek se kondenzátory na vozidlech začaly v širší míře používat teprve s

nástupem pulzní regulace. Při tom požadavky na ně byly výrazně odlišné od požadavků na dříve nejběžnější kondenzátory kompenzační. Podobně jako tlumivky i kondenzátory umožňují akumulaci energie. Na rozdíl od tlumivek jsou však jejich ztráty řádově menší (v každém případě nevykazují ztráty při stejnosměrném napětí). Menší je ale i množství energie vztažené např. na kg jejich hmotnosti. Z hlediska obvodového se nejčastěji užívají •

jako součásti filtrů v případech, uvedených u tlumivek,

•

pro omezení rychlosti nárůstu napětí nebo omezení přepětí (RC členy, odlehčovací obvody),

•

pro (aperiodické) omezení rušení ("blokování" zdrojů rušení, např. komutátorů, kontaktů relé ap.), Po stránce konstrukční se kromě jmenovitého napětí a kapacity liší podle

•

způsobu zatěžováním (střídavým napětím, stejnosměrným napětím s různě velkou střídavou složkou),

•

podle požadavku na minimální indukčnost,

•

podle konstrukce a použitého isolantu.

- 67 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 7. Součásti měničů Ze zřejmých konstrukčních důvodů roste s kapacitou i parazitní indukčnost, takže v některých případech je třeba použít paralelního řazení různých typů kondenzátorů. Na rozdíl od tlumivek, které se zpravidla navrhují individuálně podle zadaných požadavků, skládají se (velké) kondenzátory z jednotlivých dílčích kondenzátorů. Jejich celkovou kapacitu lze tedy i dodatečně měnit a i jejich konstrukční začlenění je snazší (poskytuje více možností). Velkou výhodou při tom jsou nepatrné požadavky na jejich chlazení.

- 68 -

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 8. Typická provedení elektrické části vozidel

8 TYPICKÁ PROVEDENÍ ELEKTRICKÉ ČÁSTI VOZIDEL V následujících dílech těchto skript budeme sledovat v podstatě historický vývoj elektrické trakce ve třech základních provedeních tak, jak odpovídal vývoji požadavků a technických možností. Za charakteristický znak použijeme způsob řízení napětí trakčních motorů, jejich otáček a momentu jako základní charakteristiky celého pohonu: •

stupňové řízení stejnosměrného sériového motoru,

•

plynulá regulace stejnosměrného cize buzeného trakčního motoru,

•

kmitočtové řízení asynchronních trakčních motorů napájených ze střídače. Je samozřejmé, že existuje řada vozidel, které mají znaky více skupin, ale jejich vlastnosti lze

snadno určit odpovídající kombinací vlastností základních typů. K vozidlům těchto základních typů lze přiřadit i typické řešení dalších zařízení, např. pomocných pohonů, techniku řízení ap. Přehled, podle kterého jsou uspořádány následující díly, je uveden v Tab. 3, V každém následujícím díle skript jsou podrobněji sledovány prvky pro danou skupinu nové a na společné vlastnosti je pouze poukázáno. Například v díle o stupňové regulaci je sledován stejnosměrný komutátorový motor, jeho vlastnosti a charakteristiky podrobněji, v díle o plynulé regulaci se zmíníme pouze o specifice zdrojů pro cizí buzení a napájení motoru zvlněným proudem.

Tab. 3 Typická provedení elektrické části vozidel Způsob řízení

Stupňové

Trakční motor

Stejnosměrný, sériový

Stejnosměrný s cizím buzením

Asynchronní

Řízení napětí - stejnosměrný systém

skupinové řazení, předřazené odpory

pulzní regulace

napěťový nebo proudový střídač

Řízení napětí - střídavý systém

odbočky na transformátoru, diodový usměrňovač

tyristorový řízený usměrňovač

pulzní usměrňovač, napěťový střídač

Řízení buzení - stejnosměrný systém

šentovací odpory a tlumivka

pulzní měnič z pomocné sítě

poměrem napětí a kmitočtu

Řízení buzení - střídavý systém

šentovací odpory

reverzační usměrňovač ze samostatného vinutí transformátoru

poměrem napětí a kmitočtu

Elektrická brzda - stejnosměrný systém

tramvajová ev. s přibuzováním

odporová s pulzním řízením odporu, rekuperace

rekuperace, odporová brzda v meziobvodu

Elektrická brzda - střídavý systém

cize buzená, do stálého odporu

odporová, (rekuperace)

rekuperace, odporová v meziobvodu

Řídicí obvody

stykače, kontroléry, relé

analogová regulace proudu a rychlosti

hierarchické procesorové systémy

Plynulé

69

Elektrická trakce 1. – Přehled problematiky 9. Literatura

9 LITERATURA [1] Gös,W., Urstöger,R.: Antriebsanlagen für Gelenktrolleybusse in den USA, Elektrische Bahnen 1987 č. 8 str. 245…251 [2] -: Der Hochflur-Triebkopf mDDM für die Niederländischen Eisebahn, Schweizerische Eisenbahn-Revue 1-2/1997 [3] Gerber, M., Müller, R.: Die neuen Fahrzeuge für die Züricher S-Bahn, Schweizerische Eisenbahn-Revue 5-6/1989 [4] Gerber, P., Stöckli, J.: Die Niederflu-Nahverkehrs-Pendlzüge RABe 525 „NINA“ der BLS Lötschbergbahn AG, Eisenbahn Revue č. 1-2 1999 str. 19-33 [5] Gerber, M., Drabek, E., Müller, R.: Die Lokomotiven 2000 – Serie 460 - der Schweizerischen Bundesbahnen, Schweizerische Eisenbahn-Revue 10/1991 [6] Karch, S., Graffunder, A.: Die Prozessidentifikation asl Instrument zur Untersuchung der Fahrweg-Fahrzeug-Dynamik, ZEV-DET Glass. Ann. 116 (1992) č. 8/6 str. 383-391 [7] Kuře, G.:STEYER Wälzlager in elektrischen Fahrmotoren für Schienefahrzeuge, firemní publikace 3.4D, [8] Alfter, R., Rothermel, U.-H.: VÖV-Niederflur-Stdtbahn – ein Projekt in der Bewährung für künftige Serienbestellungen, ZEV-DET Glass. Ann. 116 (1992) č. 8/6 str. 376 [9] Stanke: Antriebsteuerung und –regelung der Einzelrad-Einzelfahrwerksantriebe, Der Nahverkehr 5/90 str. 28-33) [10] Kratz, G., Sauer, B., Segieth, Ch.: GEALAIF, ein neues Antriebskoncept für Höchsleistungen im Traktionbereich, ZEV+DET Glas.Ann. 117 (1993) č.6, str.198

Plzeň 3.6.2004

70

ELEKTRICKÁ TRAKCE 1 PŘEHLED PROBLEMATIKY

Recommend Documents