ELEKTRICKÁ TRAKCE 6. VLASTNÍ SPOTŘEBA A CHLAZENÍ

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení Obsah 4.11.2008 ETR600.doc

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 6. VLASTNÍ SPOTŘEBA A CHLAZENÍ

Obsah 1

2

3

Charakter vlastní spotřeby ................................................................................................................2 1.1

Zdroje a napětí .......................................................................................................................... 2

1.2

Zařízení na vozidlech ................................................................................................................ 3

1.3

Zálohování ................................................................................................................................ 4

1.4

Vícesystémová vozidla.............................................................................................................. 5

1.5

Vnější napájení ......................................................................................................................... 6

Pomocné pohony ..............................................................................................................................7 2.1

Ventilátory ................................................................................................................................. 7

2.2

Kompresorová soustrojí .......................................................................................................... 11

2.3

Čerpadla .................................................................................................................................. 13

Akumulátorová baterie, nabíjení a spotřebiče ................................................................................ 14 3.1

Akumulátorová baterie ............................................................................................................ 14

3.2

Nabíječe .................................................................................................................................. 16

3.3

Spotřebiče ............................................................................................................................... 17

4

Napájení spotřeby v soupravě ....................................................................................................... 18

5

Příklady napájení vlastní spotřeby ................................................................................................. 21

6

Ventilace ......................................................................................................................................... 30 6.1

Zdroje tepla, oteplování a chlazení ......................................................................................... 32

6.2

Ventilátory ............................................................................................................................... 35

6.3

Provedení ventilačních obvodů na vozidlech .......................................................................... 38

6.4

Příklady provedení chlazení .................................................................................................... 42

-1-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 1. Charakter vlastní spotřeby

1 CHARAKTER VLASTNÍ SPOTŘEBY Kromě trakční elektrické výzbroje je na vozidlech mnoho dalších elektrických zařízení a jejich počet neustále roste. Tato zařízení lze rozdělit různým způsobem, například na •

vlastní spotřebu trakčního vozidla, přímo související s trakcí, spotřebu zařízení, nezbytných pro provoz samotného vozidla a pro obsluhu,

•

spotřebu ostatních zařízení, určených především pro cestující.

Toto dělení je důležité proto, že spotřeba pro trakci se započítává (jako „ztráty“) do účinnosti vozidla, kdežto vlastní spotřeba pro cestující nikoliv. Při tom instalovaný výkon první skupiny zařízení se na moderních lokomotivách pohybuje v mezích asi 3,5...5% jmenovitého výkonu lokomotivy, požadovaný příkon osobního vozu bývá 30...45 kW podle velikosti a vybavení. Na rozdíl od trakčního pohonu, o kterém se předpokládá, že může být nejen využíván, ale (někdy i značně) překračován je instalovaný výkon zařízení vlastní spotřeby provozně využíván vždy jen částečně a jeho optimálním využíváním je možno dosáhnout poměrně značné snížení spotřeby vozidel (například řízením ventilace podle zatížení byla na lokomotivách s pulzní regulací proti lokomotivám starším naměřena v provozních podmínkách úspora energie až 7%).

1.1

ZDROJE A NAPĚTÍ Důležitým hlediskem je technické provedení zdrojů a jejich závislost na napětí v troleji: •

přímé napájení z troleje - závisí pouze na přítomnosti napětí na sběrači vozidla, je závislé, ale spolehlivé, bohužel pro většinu spotřebičů málo vhodné,

•

napájení z troleje přes další zařízení (transformátory, měniče atd.) - závisí na přítomnosti napětí v troleji a správné funkci (spolehlivosti) těchto zařízení, zato s možností poskytovat téměř libovolná napětí,

•

napájení (pohon) stlačeným vzduchem, nezávislý na (momentálním) stavu napětí v troleji, vhodný pro omezený, ale velmi důležitý okruh aplikací, typicky mechanické brzdy, protože je schopen jednoduše vyvinout značné síly, doba uchování energie

je omezená (závisí na

těsnosti), •

napájení z akumulátorové baterie je rovněž na (momentálním) stavu napětí v troleji nezávislé, s příslušnými měniči je obecně vhodné pro většinu aplikací, s možností relativně dlouhého uchování energie, ale s omezenou kapacitou.

Primárním zdrojem energie je pro závislá vozidla trolej, pro nezávislá spalovací motor. O pomocných zařízeních a napájení vlastní spotřeby na nezávislých vozidlech uveďme pouze tolik, že jejich provedení je velice pestré, ale je zřejmá tendence (podobně jako v trakčních obvodech) k postupnému sjednocování systémů i zařízení s vozidly závislé trakce. U vozidel závislých je rozhodující trakční systém, u stejnosměrných systémů pak především jeho napětí. U střídavých systémů lze napětí pro napájení vlastní spotřeby získat z příslušných vinutí na transformátoru i několik různých hodnot. Obvody jsou zároveň galvanicky odděleny od troleje. Dosažení tohoto výsledku u stejnosměrných vozidel vyžaduje navíc soustrojí střídač+transformátor a používá se v širší míře teprve poslední dobou.

-2-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 1. Charakter vlastní spotřeby Z hlediska energetického je nejvýhodnější napájení přímo z troleje (z vinutí transformátoru). Přirozeně se to týká především spotřebičů s největším příkonem. Typickým případem je napájení topení vlaku (soupravy). Většinou je ovšem potřeba formu prvotní energie pro napájení jednotlivých zařízení „upravit“ a je zřejmé, že čím více přeměn energie prodělá, tím je celková účinnost (případně i spolehlivost) menší. Nejčastějšími zdroji energie pro zařízení jsou •

stejnosměrné napětí 220 V, 440 V pro napájení stejnosměrných motorů, získané přímo z troleje nebo přes pulzní měnič, snižující (a stabilizující) napětí troleje,

•

stejnosměrná síť 540...650 V pro napájení střídačů pro jednotlivé asynchronní motory na standardní napětí 3x380 (400) V, nebo pro vytvoření sítě s tímto napětím pro napájení více motorů i jiných spotřebičů,

•

jednofázové napětí 220 V nebo 380 V, 50 Hz (typicky na starších střídavých vozidlech)

•

stejnosměrné napětí 12 V, 48 V, 72 V, 110 V z akumulátorové baterie,

•

stlačený vzduch s maximálním tlakem v jímkách zpravidla 0,8..1 MPa (8..10 Bar),který se upravovači tlaku „stabilizuje“ na potřebné hodnoty (např. 5 Bar pro průběžnou brzdu, 3,5 Bar pro přístroje atd.),

•

spíše výjimečně stlačená kapalina pro hydraulicky ovládaná zařízení (některé brzdy na vozidlech MHD).

Tři první zdroje jsou bezprostředně závislé na napětí v troleji, další tři umožňují energii uchovávat a proto jsou používány pro zařízení, která musí být schopna provozu i bez napětí v troleji (brzdy, řízení, osvětlení ap.), jsou ovšem co do výkonu resp. možné doby provozu omezené. Pokud napětí uvedených zdrojů nejsou stabilizována předřazeným měničem kolísají v rozmezí, které výrazně překračuje běžné tolerance v sítích. Napětí zdrojů, přímo závislých na napětí troleje kolísá pochopitelně s ní (např. +20%, -30%, u MHD i více), navíc se mohou uplatnit další úbytky, závislé na jeho zatížení. Napětí baterie kolísá v závislosti na jejím typu, nabití, stáří v podobných mezích. To klade zvláštní nároky na připojená zařízení a často znemožňuje použití standardních výrobků (relé, motory osvětlení aj.) resp. to vyžaduje stabilizaci (u zařízení menšího výkonu). Napětí, vytvářená měniči, např. střídači se standardním výstupem 3x380V, 50 Hz mívají sice napětí stabilizované (pokud je jejich vstupní napětí dostatečné!), což se ovšem týká obyčejně 1. harmonické. Bez dalších opatření („sinusové“ filtry) však jejich napětí obsahuje řadu vyšších harmonických, které mohou ohrozit nebo i znemožnit řádnou funkci některých připojených spotřebičů. Pokud se nepoužijí filtry „du/dt“ mohou strmé skoky napětí vyžadovat i speciální provedení izolace strojů, podobně jako u motorů trakčních (viz 4. díl). Obě cesty jsou poměrně nákladné.

1.2

ZAŘÍZENÍ NA VOZIDLECH Elektrická zařízení, která představují vlastní (netrakční) spotřebu jsou velmi rozmanitá a výkonově

sahají od několika W (relé, signální žárovky) až po stovky kW (topení vlaku). Také jejich požadavky na vlastnosti napájecích zdrojů jsou různorodé. Kromě důvodů technických se zde projevuje skutečnost, že zatímco většina komponent trakční výzbroje je vyráběna (případně vyvíjena) na zakázku s jednoznačným určením pro trakci a tedy s uvažováním všech specifických požadavků, očekává se u zařízení vlastní spotřeby co nejširší využití běžně průmyslově vyráběných typů pro úsporu nákladů,

-3-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 1. Charakter vlastní spotřeby snadnou dostupnost, široký sortiment atd. Ve skutečnosti však trakčním podmínkám vyhovují většinou stejně jen speciální typy, určené buď přímo pro trakci nebo pro jiné zvlášť náročné aplikace (stavební stroje, letadla, lodi, vojenská zařízení), takže jejich cena, dostupnost ani sortiment není standardní. Některá zařízení jsou přímo předepsána odběratelem s ohledem na kompatibilitu vozidla s ostatními již provozovanými typy (zabezpečovací zařízení) nebo na dobré (špatné) zkušenosti z provozu. Udat proto úplný přehled a popis těchto zařízení nelze a následující výčet obsahuje typická zařízení se přihlédnutím k poměrům na ČD. Pro nejhrubší orientaci obsahuje následující Tab. 1 příkony nejběžnějších zařízení. Tab. 1 Přehled typických příkonů zařízení vlastní spotřeby Zařízení

Příkon [kW]

Topení vlaku ev. jiná sběrnice pro zásobování soupravy energií

300...1000

Klimatizace vozu

20...40

Ventilátory

4...50

Kompresory

5...25

Topení (klimatizace) stanoviště

3...10

Nabíjení baterie

5...10

Čerpadla (oleje, chladicí kapaliny)

0,5...3

Pomocný kompresor

1...2

Rozmrazovač (polovina čelního okna)

0,5...2

Elektronícké zařízení (řídicí pořitač, zabezpečovač ap., jednotlivě)

0,1...1

Z praktických důvodů se ze zařízení vlastní spotřeby zvlášť vyčleňují pomocné pohony (většího výkonu), protože •

jsou funkčně nejtěsněji vázány na trakční obvody,

•

jejich řízení s činností trakčních obvodů těsně souvisí,

•

jde o spotřebiče někdy poměrně značného výkonu se speciálními požadavky na napájení a řízení (rozběh, řízení otáček).

Jedná se především o pohon ventilátorů a kompresorů a budeme se jim věnovat včetně typických způsobů řízení nejdříve. Druhou skupinu tvoří baterie, její nabíjení a spotřebiče, které typicky napájí. Týká se nejen zajištění trakce, nýbrž i funkce velkého počtu ostatních zařízení. Dalším tématem budou systémy, zásobující energií soupravu.

1.3

ZÁLOHOVÁNÍ Některá zařízení vlastní spotřeby bezprostředně podmiňují provozuschopnost vozidla buď

technicky nebo s ohledem na bezpečnostní předpisy. Zálohováním se zajišťují kritické funkce i při

-4-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 1. Charakter vlastní spotřeby poruše některých zařízení. Dosahuje se toho nejčastěji zdvojením některých zařízení (například použití dvou kompresorů, při čemž každý z nich sám pro provoz postačuje), obyčejně tam, kde to je technicky možné, ekonomicky únosné a u zařízení, kde se očekává zvýšená poruchovost. Významným provozním kritériem je doba, po kterou je při poruše daného zařízení vozidlo ještě schopno činnosti. Například •

při poruše hlavního vypínače, trakčního transformátoru, baterie atd. je vozidlo pro tah vyřazeno ihned, při ztrátě chlazení odporníku je prakticky ihned vyřazena odporová brzda (pokud má cizí ventilaci),

•

při poruše chlazení vzduchem chlazených měničů bývá doba dalšího provozu několik málo minut a možné zatížení snad 10..20 %, stejně jako u kapalinového chlazení při výpadku oběhového čerpadla,

•

při poruše kompresoru (pokud je jediný) lze pokračovat v jízdě po dobu několika minut v závislosti na těsnosti vzduchových obvodů a spotřebě vzduchu,

•

při poruše cizího chlazení trakčních motorů a vzduchových tlumivek je provoz sníženým výkonem možný desítky minut, podobně jako u měničů s kapalinovým chlazením při výpadku ventilátoru, ale fungujícím oběhovém čerpadle,

•

při poruše nabíječe lze zpravidla pokračovat v jízdě desítky minut, zvláště, pokud existuje možnost omezit postradatelnou spotřebu (úsporné nebo nouzové osvětlení),

•

při poruše oběhového čerpadla transformátoru nebo jeho ventilátorů může být doba provozu se sníženým výkonem relativně velmi dlouhá.

Při poruchách chlazení záleží zřejmě na velikosti oteplovací časové konstanty a možnosti omezit v zařízení vznikající teplo. S ohledem na bezpečnostní předpisy je podmínkou připuštění do provozu například funkce houkačky (píšťaly), návěstního osvětlení, vlakového zabezpečovače, funkce dveří v prostorách pro cestující a dlouhá řada dalších. Způsoby zálohování jsou dosti rozmanité a budou ukázány na konkrétním provedení u vybraných vozidel v kap. 5.

1.4

VÍCESYSTÉMOVÁ VOZIDLA Pomocné pohony na vícesystémových vozidlech závisí na provedení trakčních obvodů. U

novějších vozidel jsou pomocné pohony (a další spotřebiče) napájeny ze sběrnice nízkého stejnosměrného napětí 550...630 V. Celá problematika se pak přesouvá na vytvoření této sítě. Za zdroj slouží obyčejně stejnosměrný meziobvod, který slouží pro napájení trakčního pohonu na všech systémech, ať je vytvořen pouze vstupním filtrem (s napětím troleje), usměrněním napětí sekundárního vinutí trakčního transformátoru nebo jiným způsobem. Některé případy byly uvedeny v 5. díle, věnovaném vozidlům s více způsoby napájení. Potřeba chlazení bývá ovšem na různých systémech různá a to musí být především při chlazení více zařízení společným ventilátorem zohledněno tak, aby provoz byl hospodárný.

-5-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 1. Charakter vlastní spotřeby

1.5

VNĚJŠÍ NAPÁJENÍ Některá zařízení vlastní spotřeby je nutné nebo alespoň výhodné napájet i v případech, kdy je

vozidlo odstaveno, případně neobsazeno a není proto vhodné ho napájet z troleje nebo stojí vůbec mimo trolej (jde o obdobu pojezdu v depu - viz 5. díl pro zařízení vlastní spotřeby). Může se jednat o různá zařízení, nejčastěji se to týká •

napájení vlakového topení (předtápění) odstavené soupravy ze speciálních přípojných míst v kolejišti na pravidelných místech odstavení; energie se přivádí přímo do topné zásuvky na čele soupravy; napájení z troleje při tom může bránit i skutečnost, že dlouhodobý odběr poměrně značného proudu sběračem v jednom místě bez pohybu by vedl k nedovolenému oteplení ve stykové ploše troleje a sběrací lišty,

•

napájení nabíječe akumulátorové baterie, nejčastěji rovněž ze stojanů se standardním napětím 3x380 V, 50 Hz do zásuvky na trakčním vozidle; při delším odstavení může být v činnosti např. osvětlení při provádění různých prací a baterii je nutno dobít tak, aby bylo možno uvést vozidlo znovu do provozu,

•

napájení dalších zařízení, např. kompresoru nebo drobných spotřebičů 220 V (vysavače, přenosná svítidla ap.) prostřednictvím vozidlového rozvodu; realizuje se podobně jako v předešlém případě, poměrně jednoduché řešení je možné na vozidlech, která používají pro napájení pomocných zařízení pomocnou síť se stejnosměrným napájecím napětím (obyčejně mezi 500...600 Vss), které lze usměrněním z vnější sítě 3x380 V vytvořit.

Problémy může

představovat

zajištění

bezpečnosti

obsluhujících

osob

(zpravidla

bez

elektrotechnické kvalifikace). Kromě toho bývají způsoby ochrany před nebezpečným dotekem na vozidle a v napájecí všeužitečné síti rozdílné.

-6-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony

2 POMOCNÉ POHONY 2.1

VENTILÁTORY Ventilátory (které máme v této souvislosti na mysli) zajišťují jednak přímé nucené vzduchové

chlazení především elektrických zařízení, trakčních motorů, měničů, odporníků, jednak chlazení výměníků tepla (radiátorů, chladičů) jiných chladicích médií, například oleje transformátoru, chladicí vody měničů, mezichladičů kompresoru ev. dalších zařízení. Ventilátorům a chlazení vůbec jako velmi významné záležitosti, která s koncepcí celého vozidla závisí a naopak ji zásadně ovlivňuje bude věnována kapitola. Na tomto místě se věnujeme způsobům napájení příslušných motorů a řízení. Na starších vozidlech stejnosměrné trakce byly pomocné pohony řešeny sériovými motory, napájenými z troleje (Obr. 1 a)). U systému 3 kVss byly motory spojovány do motorových skupin podobně jako motory trakční a spouštěny ve dvou stupních s ohledem na proudové a momentové rázy- Obr. 1 b). Tyto motory byly těžké a poháněly přes spojku často samostatné radiální ventilátory (později i axiální, viz. Tab. 2).

Obr. 1 Typické provedení pohonu ventilátorů na "stykačových" vozidlech (pompoh.dwg) Na střídavých vozidlech této generace byly používány •

stejnosměrné sériové motory o napětí 110 nebo 220 Vss napájených ze samostatného vinutí transformátoru přes diodový usměrňovač (spouštění stykačem) a později přes řízený tyristorový usměrňovač s možností plynulého rozběhu a řízení otáček (Obr. 1 c),

•

jednofázové asynchronní motory s kondenzátorovou fází, napájené ze samostatného vinutí a spouštěné stykačem,

•

třífázové asynchronní motory, napájené ze štěpiče fází (Arnoměnič).

Motory na nízké napětí umožňují snazší vestavění přímo do axiálních ventilátorů. Příklad konstrukčního provedení dvoustupňového axiálního motoru je na Obr. 2.

-7-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony

Obr. 2 Axiální ventilátor APDA (ŠKODA) s vestavěným asynchronním motorem (apda.bmp) Obecně mají stejnosměrné sériové motory výhodu v tom, že jejich moment není ovlivněn poklesem napájecího napětí jako u motorů asynchronních a jejich rozběh je proto vždy zajištěn. Na druhé straně ovšem vyžadují více údržby (sběrací ústrojí). Další výhodu poskytují stejnosměrné motory při napájení ventilátorů pro chlazení odporníků (rozjezdových nebo brzdových). Lze je připojit na vhodně navrženou odbočku odporníku podle Obr. 1 d), takže jsou napájeny z brzdové energie, pracují v závislosti na zatížení odporníku a nevyžadují žádné řízení. Od zavedení pulzní regulace se na stejnosměrných vozidlech používají stejnosměrné motory, napájené, spouštěné a ev. řízené z pulzních měničů. U aplikací na 600/750 Vss je lze napájet buď z vlastního vstupního filtru nebo společně s trakčními obvody (Obr. 3 a)). Na 3 kVss se používá zvláštní „primární“ snižovací pulzní měnič (označení výrobce ČKD „Unipuls“ pro tento typ zařízení postupně zobecnělo), který vytváří pomocnou stejnosměrnou síť, např. 440 Vss a z ní se pak přes „sekundární“ pulzní měniče napájejí motory odpovídajícího nízkého napětí (Obr. 3 b). Kromě úspory hmotnosti (srv. Tab. 2) byl zároveň vyřešen požadavek plynulého rozběhu a řízení otáček. Pomocné motory nejsou ovšem galvanicky odděleny od troleje.

Obr. 3 Napájení stejnosměrných pomocných motorů s plynulou regulací (pompoh.dwg) Napájení stejnosměrných motorů z řízených můstků na střídavých vozidlech je na Obr. 3 c). Pokud byly používány stejnosměrné motory, bylo s ohledem na údržbu výhodné jejich počet co možná omezit, takže jedním ventilátorem se chladilo více zařízení. To ovšem mělo za následek nárůst objemu vzduchovodů a obyčejně i nutnost kompromisů při jejich řízení. (Za extrém možno považovat ruskou motorovou lokomotivu Do´Do´ s pouze dvěma, za to 100 kW ventilátory).

-8-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony Tab. 2 Porovnání axiálních ventilátorů s pohonem různými typy motorů Typ ventilátoru

APD-710-2

APD 560-2

APDA 560-2

2A2839/4

A2132/4

HOC180MO2

3000/2

440

3x380

22

15

22

1800

2800

2935

4,5

2,7

4,2

Tlak [Pa]

1900

2750

3500

Hmotnost motoru [kg]

465

190

Hmotnost soustrojí [kg]

888

377

260

85E

93E1

Typ motoru Napětí [V] Výkon [kW] Otáčivá rychlost [ot/min] 3

Množství vzduchu [m /s]

vč. nabíjecího dynama Lokomotiva (označení ŠKODA)

82E1

Použití asynchronních motorů, které lze snadněji vestavět do ventilátorů a možnost použít vzhledem k nepatrné údržbě větší počet menších motorů byl výhodný pro zajištění víceméně „individuálního“ chlazení s minimem vzduchovodů. Malé motory bylo pak možno napájet ze společného střídače a připínat je přímo stykači bez nutnosti předimenzování napájecího střídače. Ventilátory s příkonem zhruba nad 20 kW, které jsou se stejnosměrnými motory běžné, jsou s asynchronními motory výjimkou. Pokud se požaduje plynulá regulace otáček musí mít ventilátor nebo skupina ventilátorů pro chlazení stejných nebo podobných zařízení samostatný střídač s proměnným napětím a kmitočtem. Pak odpadají problémy s rozběhovými proudy. Jinak stačí střídač se standardním výstupním napětím a kmitočtem. Tyto „pomocné“ střídače jsou obyčejně napájeny ze stejnosměrné sítě takového napětí, aby bylo možno i v rámci jeho určitého (obyčejně nikoli maximálního) kolísání zajistit jmenovité napětí na výstupu střídače. Při přímém připojení stykačem se sice uplatní rozběhové proudy (obyčejně se požaduje, aby výkon největšího takto spouštěného motoru nepřekročil 10% výkonu střídače), ale pokud se při poklesu výstupního napětí sníží ve stejném poměru i kmitočet, neklesá záběrový moment a rozběh je tedy zajištěn na rozdíl od asynchronních motorů s přímým napájením, popisovaných na začátku této kapitoly.

Obr. 4 Napájení asynchronních pomocných motorů (pompoh.dwg)

-9-

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony Na stejnosměrných vozidlech může být pomocná síť vytvořena primárním pulzním měničem (bez galvanického oddělení), který i u trolejového napětí 600 Vss stabilizuje kolísání trolejového napětí, nebo přes střídač, transformátor, usměrňovač a vyhlazovací filtr. Pak je obvod pomocných obvodů galvanicky oddělen například podle Obr. 5 (předměstská jednotka 471 ČD, viz též 3. díl). Vazba transformátorem vyrovnává podobně jako motory s dvojitou hvězdou napětí na obou polovinách vstupního filtru i když trakční měniče nejsou v činnosti.

Obr. 5 Příklad napájení pomocné sítě na vozidle 3 kVss (pomp_471.dwg) Na střídavých vozidlech je pomocná stejnosměrná síť napájena z vlastního vinutí na trakčním transformátoru přes diodový, řízený nebo pulzní usměrňovač a vyhlazovací filtr. Ventilátory jsou řízeny nejčastěji buď poloautomaticky nebo automaticky. Při poloautomatickém řízení má ovladač obyčejně polohy •

„Ručně“ tzn. trvalý chod, umožňující například „předchlazení“ před očekávaným přetížením nebo plné dochlazení po něm (např. trakčních motorů),

•

„Stop“ pro trvalé vypnutí a

•

„Automaticky“.

Poslední případ může v závislosti na provedení vozidla znamenat spuštění ventilace při najetí na (odporové) stupně, překročení nastavené hranice proudu (např. měniče), překročení teploty chlazeného média (chladicí olej nebo voda) a opětné vypnutí s přiměřenou hysterezí. Hranice spínání lze korigovat např. podle teploty okolí, rozběh zpozdit atd. U zařízení, řízených procesorem lze přirozeně použít algoritmy složitější. Tato v podstatě dvouhodnotová regulace vyhoví u zařízení s dostatečně dlouhou tepelnou časovou konstantou nebo tam kde lze nastavit dostatečně velký odstup mezi hranicemi spínání tak, aby spínání nebylo příliš časté. Pokud lze otáčky ventilátoru řídit spojitě (a je k dispozici spolehlivé čidlo!), lze použít standardní regulační obvod. Při plně automatickém řízení chodu ventilátoru není zapotřebí ovladač a pracuje se trvale v režimu, odpovídající poloze „Automaticky“, typicky pro vozidla MHD. Protože ztráta chlazení může vést k havárii chlazeného zařízení (v některých případech poměrně rychle), je zvláště při čistě automatickém řízení třeba chod ventilátoru kontrolovat. To lze poměrně dobře zajistit při dvouhodnotovém řízení, již hůře u řízení spojitého. Lze kontrolovat například skutečné otáčky ventilátoru, průtok chladicího vzduchu, teplotu výstupního vzduchu nebo chlazeného zařízení ap. Za

- 10 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony nejlepší lze považovat poslední případ, pokud je technicky spolehlivě řešitelný, protože reaguje na skutečné a ne pouze potenciální nebezpečí pro chlazené zařízení. Ventilátory, které slouží pro ventilaci prostorů pro cestující a stanoviště nebo které jsou součástí klimatizačních zařízení jsou obyčejně menšího výkonu a napájejí se přes stykače ze standardní sítě 3x380 V, 50 Hz. Proto bývá alespoň jeden střídač s tímto výstupním napětím na každém vozidle (i netrakčním).

2.2

KOMPRESOROVÁ SOUSTROJÍ U všech železničních vozidel, vozidel metra a často i dalších je mechanické brzdění ovládáno

stlačeným vzduchem. Stlačený vzduch se pak využívá i v řadě dalších případů, například pro •

ovládání elektrických přístrojů - sběrače, stykače, přepojovače ap.,

•

vzduchové vypružení,

•

některé systémy naklápění vozové skříně při průjezdu obloukem,

•

napájení pneumatických zařízení v soupravě (pohon vnějších a vnitřních dveří osobních vozů, vyklápění nákladních výklopných vozů),

•

drobné pohony a jiná zařízení (stěrače, sklopná zrcátka, klapky, houkačky, mazání okolků, rozpojování automatického spřáhla aj.).

Řada z uvedených zařízení může být napájena také z baterie, ale zvlášť pro vyvinutí větší přímočaré síly při relativně malé rychlosti a/nebo dráze bývá pneumatický pohon výhodnější. K výrobě slouží kompresorová soustrojí s pohonem elektromotorem. Standardní tlak je 1 MPa (10 3

Bar). Výkon se udává v l/s nebo m /hod. nasátého vzduchu. Ten závisí na typu vozidla a pohybuje se 3

velmi zhruba v mezích 40..180 m /hod. Na vozidlech se dnes používají především dva druhy kompresorů: pístový a rotační, které se výrazně liší požadavky na pohon. Pístový kompresor není třeba popisovat. Z hlediska pohonu vyžaduje zvláště při rozběhu z klidu a při nízké teplotě (ztuhlé mazivo) značný moment. Proto se pro jeho pohon velmi dobře hodí sériový motor. Při pohonu asynchronním motorem je vhodným řešením pouze napájení z vlastního měniče s plynulým rozběhem změnou kmitočtu. Za chodu je významným zdrojem otřesů a hluku. Způsob napájení motoru kompresoru se většinou neliší od napájení ventilátorů, jak je ukázáno např. v Obr. 3. Na „stykačových“ vozidlech 3 kVss ovšem nelze zapojit do série dva kompresorové motory, i když na vozidle dva kompresory jsou, protože musí být navzájem nezávislé (představují zálohu). Proto jsou poháněny dvoupólovými motory se svorkovým napětím např. 2600 V s trvale předřazeným odporem (Obr. 1 e)). Pístové kompresory se obyčejně řídí ovladačem s polohami •

„Ručně“ - trvalý chod, který umožňuje doplnit zásobu vzduchu před místem bez trolejového napětí a provést zkoušku pojistného ventilu,

•

„Automaticky“ v režimu start-stop, řízeném tlakovým spínačem s vhodnou hysterezí,

•

„Vypnuto“.

Rotační kompresory se na vozidlech používají teprve v poslední době. Provedení rotačního kompresoru Knorr pro vozidla je zřejmé z Obr.

- 11 -

3

6 (typ SL 60-1, 258..327 m /h,1500..2000

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony 1

2

ot/min..37..50 kW )), detail rotorů na Obr. 7 ). Dovolená teplota okolí je -40°C..+60°C a za jist ých okolností i více (a to jsou pro tyto stroje extrémní podmínky). Je zřejmé, že vlastní kompresor je výrobně velmi náročný, ale tvoří jen malou část celého zařízení.

Obr. 6 Rotační kompresor Knorr (kompresor.bmp)

Obr. 7 Rotory rotačního kompresoru Atlas-Copco (teleso .bmp) Z hlediska pohonu je významné, že jeho otáčky bývají vyšší a spouštění i zastavování může vyžadovat programovaný průběh otáček. Proto vyžaduje individuální regulační pohon, typicky samostatný střídač a někdy i speciální asynchronní motor (s otáčivou rychlostí větší než 3000 ot/min.). Pro rotační kompresor je obecně výhodnější trvalý provoz s řízením dodávky vzduchu změnou otáčivé rychlosti buď plynule nebo ve dvou stupních: plná a „volnoběžná“.Trvalý běh zajišťuje trvalé mazání především tvarových těles a těsnění nezbytných vůlí. Režim start-stop je ale také možný. 1

) Firemní publikace Knorr

2

) Firemní prospekt Atlas Copco

- 12 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 2. Pomocné pohony Pokud je pro uvedení vozidla do provozu nutný stlačený vzduch (obyčejně jen v omezeném množství a s nižším tlakem), je nutné použít pomocný kompresor, poháněný sériovým motorem napájeným z baterie. Vzduch je nejčastěji zapotřebí pro ovládání sběračů a některých potřebných spínacích přístrojů, zejména hlavního vypínače. Tato zařízení mohou být ovládána ovšem i čistě elektricky z baterie, ovšem s výjimkou tlakovzdušného vypínače pro 25 nebo 15 kV. Pomocný kompresor představuje pro baterii velkou zátěž v době, kdy není dobíjena (případně již delší dobu). Kompresory jsou také nezbytnou součástí klimatizačních jednotek. Tam se však jedná o speciální provedení v rámci komplexního zařízení, s napájením ze standardní sítě 3x380 V, 50 (60) Hz, s vlastním řízením.

2.3

ČERPADLA Pro chlazení některých zařízení se využívá kapalin. Tradičně se to týká většiny trakčních

transformátorů a někdy i velkých tlumivek, umístěných ve společné nádobě s transformátorem. Jsou chlazeny olejem, v poslední době také nehořlavými izolačními chladicími kapalinami (estery). Jejich oběh může být přirozený, u větších výkonů zpravidla nucený čerpadly (obyčejně dvěma). Olejem (transformátorovým kvůli jednotnosti) nebo silikonovým (kvůli malé závislosti viskozity na teplotě) se chladí někdy i měniče. Oběh je v každém případě nucený čerpadlem. V poslední době se rozšiřuje chlazení vodou (s přísadami, obdoba směsi pro chladiče motorových vozidel), které je velmi účinné a ekologické, vyžaduje ovšem vyřešení problému s izolací. Zajistit trvale dokonalou čistotu vody s potřebnou izolační schopností je v provozu zřejmě náročné, i když bylo také zkoušeno. Podnětem pro širší použití vodního chlazení měničů je rozšíření výkonných IGBT v provedení modulů s vlastní izolací. Chladicí kapaliny zajišťují v podstatě přenos tepla z místa jeho vzniku (v elektrických zařízeních) do výměníku, kde se odvádí do vzduchu přirozeným ofukováním při jízdě (menší výkony) nebo jeho nuceným ofukováním. Oběh chladicích kapalin zajišťují bezucpávková čerpadla s jednofázovými nebo třífázovými motory. Problémy se vyskytovaly při rozběhu jednofázových motorů čerpadel transformátorového oleje za nízkých teplot při nízkém napětí v troleji, kdy při poklesu záběrového momentu (se čtvercem napětí) a zvýšeným odporem (ztuhlý olej) mohlo dojít i k jejich přehřátí. Obecně je třeba všechny asynchronní pomocné motory, které nejsou napájený (spouštěny) změnou kmitočtu a napětí dosti předimenzovat. U čerpadel se jedná většinou o relativně malé výkony a proto jsou v provozu nejčastěji trvale (pokud je napětí v troleji), bez regulace a zajišťují tak i rovnoměrné ochlazování chlazeného zařízení bez zatížení. Vodou (olejem) chlazené měniče lze při výpadku oběhového čerpadla zatěžovat jen velmi málo resp. jen po krátkou dobu (výpadek ventilátoru pro chlazení vody/oleje není na druhé straně zdaleka tak kritický.

- 13 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 3. Akumulátorová baterie, nabíjení a spotřebiče

3 AKUMULÁTOROVÁ BATERIE, NABÍJENÍ A SPOTŘEBIČE Akumulátorová baterie je klíčovým pomocným zdrojem pro prakticky všechna elektrická (i motorová) vozidla. Umožňuje uvedení vozidla do provozu po odstavení a jsou z ní napájena nebo řízena rozhodující zařízení. Na dobrém stavu baterie závisí provozuschopnost vozidel a to jak trakčních obvodů a obvodů vlastní spotřeby tak i většiny klíčových obvodů v prostorech pro cestující. Kromě údržby, kterou všechny akumulátory vyžadují je hlavní podmínkou správné funkce baterie vhodný způsob nabíjení, což na vozidlech představuje poměrně komplikovaný úkol. Zvláštní kapitolou jsou trakční baterie, sloužící také (nebo výhradně) pro pohon vozidla. Pro tyto účely se vyrábí speciální typy, lépe snášející velké vybíjecí proudy při rozjezdu a nabíjecí při rekuperačním brzdění nebo při nabíjení z cizího zdroje (rychlé nabíjení pro zkrácení prostojů). Jejich životnost je však i pak omezená. Dále se jimi zabývat nebudeme.

3.1

AKUMULÁTOROVÁ BATERIE Na vozidlech se užívají jak „olověné“ tak (převážně) „nikl-kadmiové“ (Ni-Cd) akumulátory. Jejich

vlastnosti jsou porovnány v Tab. 3 pro baterie Ferak-Raškovice, ale platí celkem obecně. Olověné akumulátory dávají větší napětí a mají menší vnitřní odpor. Nikl-kadmiové zase snášejí hluboké vybití a ponechání v tomto stavu delší dobu. Často diskutované hledisko ekologické není příznivé pro žádný z obou druhů: olovo i kadmium, kyselina i louh (který kadmium po čase obsahuje) jsou látky beze sporu škodlivé, vyžadující speciální zacházení i likvidaci. Prakticky byla volba u stávajících provozovatelů již provedena a je přirozené, že se dodržuje i nadále. Tab. 3 Porovnání napětí akumulátorů “Olověná”

“Nikl-kadmiová”

V

%

V

%

Jmenovité napětí

2,00

100

1,20

100

Napětí při trvalém dobíjení

2,23

111,5

1,45

120,8

Rychlé dobíjení

2,40

120

1,58

131,7

Konečné napětí při vybíjení

1,75

87,5

1,00

83,3

Jmenovitá napětí baterie bývají nejčastěji v rozsahu malého napětí (bezpečného z hlediska ochrany proti nebezpečnému dotyku), což významně usnadňuje provedení přístrojů a kabeláže •

24 V pro vozy a v poslední době u procesorového řízení stále častěji i pro trakční vozidla, protože se ušetří značné ztráty na vstupních obvodech (skutečně potřebné napětí bývá několik V, ostatní představuje úbytek na vstupních odporech a ztráty=teplo),

•

48 V pro lokomotivy s ohledem na poměrně dlouhá vedení a spotřebiče s větším příkonem,

•

110 V především pro nezávislá vozidla pro napájení startéru - pak se ovšem už jedná o napětí nízké ve smyslu normy a všechny živé části musí být příslušně kryté.

- 14 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 3. Akumulátorová baterie, nabíjení a spotřebiče Kapacita baterie se udává v Ah. Jedná se o jmenovitou kapacitu při vybíjení konstantním 5 hodinovým proudem. Při větších odběrech kapacita rychle klesá. Pro baterie Hopecke pro těžký trakční provoz (určené pro krátkodobé přetěžování) je jako příklad uvedena závislost poměrné kapacity na době vybíjení na Obr. 8. Vybíjení 1,2...1,0 V 1,00 0,90 Poměrná kapacita

0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 1

10

100

1000

Doba vybíjení [min]

Obr. 8 Poměrná kapacita baterie Hopecke FNC 80 HR (Ni-Cd) (baterie1.xls) Na skutečnou velikost kapacity mají vliv další faktory, zejména teplota, způsob nabíjení (nabíjení konstantním napětím zajistí jen 90% kapacity) a stáří baterie (počet cyklů nabití-vybití). Velikost kapacity baterie se v konkrétním případě určuje s ohledem na velikost spotřeby a dobu, po kterou ji musí být schopna bez nabíjení napájet. Požadavky mohou být různé a významné jak u lokomotiv (schopnost uvedení do provozu po odstavení) tak u motorových jednotek, metra ap., kde se vyžaduje především zajištění osvětlení (v různém rozsahu - plné, úsporné, nouzové) a některé další důležité funkce (ovládání dveří). Kapacita baterie se pohybuje se velmi zhruba ve stovkách Ah, v závislosti na napětí. Jeden, zpravidla záporný pól baterie bývá spojen s kostrou vozidla, u moderních vozidel s ohledem na rušení, zemní smyčky atd. jsou všechna zpětná vedení izolovaná a uzemněna v jediném bodě na zemní sběrnici. U souprav vozidel mohou být bateriové sítě jednotlivých vozidel navzájem propojeny tak, aby si tvořily navzájem zálohu při poruše na baterii nebo nabíječi některého vozidla soupravy. Paralelní spojení poměrně tvrdých napěťových zdrojů ovšem musí být nějakým způsobem „ošetřeno“ a zároveň nesmí zkrat na některém vozidle vyřadit celou soupravu. Potíže může působit skutečnost, že prostřednictvím této sběrnice, uzemněné na každém voze se vytváří paralelní cesta ke zpětnému vedení trakčního proudu kolejnicemi a je třeba zajistit (např. uzemněním přes malý odpor), aby zpětný proud touto cestou neprotékal. K tomu může nejspíše dojít u vozidel, odebírající velký proud (soupravy metra při rozjezdu), při kterém se může odpor kolejnic resp. úbytek na něm uplatnit. Při vypínání induktivních spotřebičů (cívky stykačů, elektropneumatické ventily, relé) vznikají v síti baterie značná přepětí, konkrétně u napětí 48 V až 500 V. Proto se ke všem induktivním spotřebičům - 15 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 3. Akumulátorová baterie, nabíjení a spotřebiče připojují ochranné obvody (odpory, RC členy, diody, Zenerovy diody, nelineární odpory-varistory), a vstupní obvody citlivých zařízení se odpovídajícím způsobem chrání.

3.2

NABÍJEČE Nabíječe zajišťují nabíjení akumulátorové baterie na vozidle a mohou být případně kombinovány

se zdroji dalších napětí. Základním požadavkem je bezpečné galvanické oddělení baterie (transformátorem se zesílenou izolací) od ostatních elektrických obvodů. U starších vozidel se užívalo pomocné dynamo, poháněné od některého jiného pomocného motoru (srv. Obr. 1 b)). U novějších se používá střídač s transformátorem, pracující často na vyšším kmitočtu (srv. Obr. 5) pro zmenšení hmotnosti transformátoru. U vozidel střídavých ovšem oddělení problém nepředstavuje. Nabíječ je regulován tak, aby bylo omezeno jednak jeho výstupní napětí, jednak maximální nabíjecí proud. To zvláště u „měkkých“ Ni-Cd akumulátorů může působit problémy. Tab. 4 udává závislost doby nabíjení na napětí na článek Ni-Cd akumulátoru podle firemních údajů. Tab. 4 Napětí a doba nabíjení Ni-Cd akumulátoru Napětí na článek [V]

Napětí na článek

Doba nabíjení

v % jmenovitého

hod.

1,45...1,55

121...129

15

1,60

133

6

1,65

137

3,5

Z Tab. 4 je zřejmé, že pro přiměřeně rychlé nabíjení nelze dodržet maximální kladnou toleranci napětí bateriové sítě, která je 120% jmenovitého napětí. Pokud je baterie i s nabíječem přímo připojena na síť spotřebičů (což je běžné a s ohledem na spolehlivost žádoucí), překračuje její napětí po většinu doby maximální normou dovolenou velikost. U „olověných“ akumulátorů jsou zřejmě poměry příznivější. Zvýšené napětí má za následek zvýšené oteplení (cívky elektromagnetů), zkrácení životnosti (pro žárovky velmi značně), zvýšené nároky na stabilizátory elektronických zařízení aj. Tento rozpor lze řešit •

odpovídajícím předimenzováním všech zařízení, připojených na napětí baterie,

•

snížením jmenovitého napětí baterie tak, aby maximální napětí při nabíjení nepřekračovalo dovolenou mez (za cenu snížení kapacity a hlubšího poklesu napětí při vybití než norma povoluje - 70%),

•

stabilizátorem napětí, který odděluje akumulátor s nabíječem od sítě.

Poslední řešení má ovšem některé nevýhody. Pokud má baterie dostatečné napětí (je nabíjena nebo nabitá) stabilizuje se její napětí, ale při poklesu jejího napětí se obyčejně napětí sítě nezvyšuje, nýbrž naopaksnižuje o úbytky na polovodičových součástech (otevřeného) stabilizátoru, takže minimální napětí sítě je dále sníženo. Kromě toho při poruše stabilizátoru může být baterie např. pojistkou stabilizátoru odpojena a stabilizátor by proto měl být zálohován.

- 16 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 3. Akumulátorová baterie, nabíjení a spotřebiče

3.3

SPOTŘEBIČE Z baterie jsou napájena zařízení, která mají být co nejméně závislá na přítomnosti trolejového

napětí. Ze zařízení přímo souvisejících s trakcí uveďme zejména •

spínací přístroje všeho druhu, stykače, přepojovače, hlavní vypínače s elektromagnetickým pohonem a elektrickým zpětným hlášením o skutečném stavu,

•

elektrické ovládání pneumatických zařízení, velké spínací elektropneumatické přístroje, sběrače, elektrické řízení vzduchové brzdy,

•

kolejnicové brzdy, start nezávislých elektrodynamických brzd, ovládání spřáhla,

•

návěstní osvětlení, mazání okolků, houkačky ap.

Z baterie jsou prakticky výhradně napájena zařízení na stanovišti a v blocích řízení u měničů všeho druhu, jejichž bezchybná činnost je podmínkou provozuschopnosti vozidla. Sem patří napájení •

přímých ovládacích obvodů (relé, elektropneumatické ventily, stykače ap.),

•

řídicích počítačů, převodníků a čidel měřených veličin,

•

sdělovačů na stanovišti (signální světla, displeje),

•

zabezpečovacích zařízení (vlakový zabezpečovač, systémy automatického řízení vlaku ATC Automatic Train Control a jiné podobné systémy),

•

dispečerské radiostanice (VKV spojení),

•

registrační tachograf (nyní elektronický),

•

protipožární ústředny

a mnoho dalších podobných zařízení, které také přímo nebo nepřímo souvisejí s trakcí. Na stanovišti je dále třeba zajistit topení, případně klimatizaci, vnitřní osvětlení, pohon stěračů (elektricky nebo vzduchem), rozmrazovače čelních oken, napájení boileru, vařiče, mrazničky atd., Jejich napájení odpovídá napájení podobných zařízení v prostorech pro cestující.

- 17 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 4. Napájení spotřeby v soupravě

4 NAPÁJENÍ SPOTŘEBY V SOUPRAVĚ Hlavní spotřebu (v osobní dopravě) představuje topení ev. klimatizace prostor pro cestující. U železničních vozidel se v Evropě postupem doby zavedly následující napěťové systémy pro topení vlaku: •

3000 Vss na stejnosměrných vozidlech 3 kV, z troleje přes topný stykač,

•

1500 Vss na stejnosměrných vozidlech této napěťové soustavy,

•

3000 V, 50 Hz na střídavých vozidlech soustavy 25 kV, 50 Hz jako střídavá verze prvního případu, ze samostatného vinutí na trakčním transformátoru,

•

1500 V, 50 Hz jako střídavá verze druhého případu,

•

1000 V, 16 /3 Hz na vozidlech napěťové soustavy 15 kV.

2

Osobní vozy pro mezinárodní dopravu musí být schopny pracovat se všemi zmíněnými systémy (s automatickým přepínáním na správný systém). Lokomotivy i jiná trakční vozidla napájejí topení soupravy přímo z troleje přes stykač vlakového topení. U střídavých lokomotiv na 50 Hz se obyčejně požaduje možnost napájení topení 3000V a 1500 V, 50 Hz. To se řeší dvěma vinutími 1500 V, spojovanými podle potřeby do série nebo paralelně. 2

Lokomotivy na systém 15 kV, 16 /3 Hz mají vinutí topení na napětí 1000 V. Vedení vlakového topení je v současnosti na vozech využíváno i pro další účely, například pro nabíjení baterie, klimatizaci a další drobnější spotřebu, přirozeně přes galvanické oddělení. To se řeší obyčejně usměrněním (u všech systémů), s následným střídačem se stabilizací a oddělovacím transformátorem. Usměrněním a filtrem se vytvoří stejnosměrná pomocná síť, z níž jsou napájeny střídače podobně jako na Obr. 4. Jednodušší je situace v případě, že jsou spojována pouze vozidla jednoho typu (tramvaje, metro případně elektrické motorové jednotky, vysokorychlostní vlaky). Pak lze zvolit způsob napájení pro daný případ optimálně, případně i kombinací více systémů. Pro napájení topení u železničních vozidel se použije obyčejně některý ze zavedených systémů (pokud nejde o vícesystémová vozidla ovšem jen jeden), u vozidel MHD s napětím troleje 600/750Vss přímo napětí troleje. Pro napájení ostatní spotřeby lze na soupravě paralelně použít například sběrnici s napětím 540 Vss nebo 3x380 V, 50 Hz. Ta je napájena na trakčním vozidle centrálně vhodným měničem. Při volbě je třeba uvážit velikost výkonu, typy spotřebičů a možnost použití standardních dílů. Pokud je souprava spojována samočinným spřáhlem záleží na jeho možnostech při propojování elektrických obvodů (spojovaná napětí a proudy a zajištění bezpečnosti na spřáhlech na čelech soupravy). Při použití sběrnice se stejnosměrným napětím stačí pouze dva vodiče, dvounožové zásuvky a spojky mezi vozidly (obyčejně speciálního provedení). Řada spotřebičů může být napájena přímo z ní. Pro motory se použijí jednotlivé střídače, umožňující individuální rozběh a případně řízení otáček. Prakticky jde o „prodloužení“ sítě, která slouží na trakčním vozidle pro napájení pomocných pohonů, takže lze často využít stejných zařízení (např. střídače, nabíjení baterie). Také z hlediska spolehlivosti

- 18 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 4. Napájení spotřeby v soupravě je tento způsob výhodný, protože odpadá jeden společný člen (centrální střídač) a spotřebiče jsou navzájem nezávislé. Při použití sběrnice 3X380 V, 50 Hz lze využít standardní přístroje a zařízení. Motory i jiná zařízení se zapínají stykači. Na trakčním vozidle je nutno instalovat příslušný střídač, který může být využit i pro napájení části jeho vlastní spotřeby (čerpadla, nabíjení). Jeho výkon musí postačit pro současný rozběh největšího motoru při jinak plném zatížení sítě. Při tom se předpokládá (a je třeba zajistit v řízení), že jednotlivé motory jsou zapínány vždy postupně. Kromě topení jsou hlavními spotřebiči v prostorách pro cestující například •

vnitřní osvětlení, které se řídí jednak lokálně cestujícími, jednak centrálně ze stanoviště (centrální „souhlas“ s osvětlením, centrální vypnutí, případně omezení spotřeby),

•

ovládání (nebo řízení při pneumatickém pohonu) vnějších a vnitřních dveří; jedná se o jeden z nejnáročnějších systémů na vozidlech vůbec, a to po stránce mechanické, pohonu i řízení vzhledem k nárokům na dlouhodobou a maximálně spolehlivou funkci (souvisí přímo s bezpečností cestujících) při nejnepříznivějších pracovních podmínkách (počet cyklů, klimatické podmínky, často „drsné“ se strany cestujících atd.),

•

systém řízení (a u některých systémů i pohon) naklápění vozové skříně při průjezdu oblouky pro snížení účinků odstředivé síly na cestující,

•

napájení elektromagnetických kolejnicových brzd (pokud jsou použity),

•

protismykové ochrany na brzděných nápravách,

•

větrání a klimatizace; komplexní zařízení od specializovaných výrobců (stejně jako u dveří), 3

poměrně náročné na spotřebu, srv. Tab. 5, která se týká výrobků firmy Faiveley Transport ), •

informační systémy vnější (vnější informační tabule s údaji o směru a cíli jízdy, označení linky), vnitřní optické systémy (tabule s informacemi o průběhu jízdy, navazujících spojích, mimořádných okolnostech atd.), vnitřní akustické systémy (automatické i přímé hlášení s podobným obsahem jako na vnitřních tabulích) a další podobná zařízení, rovněž výrobky specializovaných výrobců,

•

napájení a ovládání výsuvných schodů, ramp, zvedacích plošin pro invalidy,

•

sociální zařízení (vodní hospodářství, WC aj.) a zásuvky pro drobné spotřebiče cestujících a pro údržbu (obyčejně na 220 V).

3

) Firemní publikace Faiveley Transport (France), HFG Hagenuk Faiveley GmbH (Deutschland)

- 19 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 4. Napájení spotřeby v soupravě Tab. 5 Příklad parametrů klimatizačních zařízení (Faiveley) Vozidla (údaje pro 1 vozidlo)

ICE,TGV,

Vagony

S_Bahn

Metro,

Stanoviště

Pendolino,

ICE, UIC

(různé)

tramvaje

loko

(různé)*)

ETR 500 Množství vzduchu pro větrání

30..60

37..60

38..100

2x(25..70)

(různé) 5..13

a topení Výkon pro topení

3

m /mi n

20..38

20..34

19..38

2x(4..24)

2..6

kW

500/1500/

1500/

napětí

napětí

různé

V

3000

3000

troleje

troleje

Výkon při chlazení

19..35

18..36

24..90

2x(6..40)

3..7

kW

Napětí pro napájení chlazení

3x380

3x380

3x380

3x380

3x380

V

Napětí pro napájení topení

*) Na jednom vozidle se používají 2 agregáty

Specifické požadavky mají přirozeně bufetové, jídelní a lůžkové vozy (části vozidel), které bývají součástí ucelených vlaků resp. souprav. U velmi rychlých vlaků přistupuje například problematika zajištění těsnosti souprav, u vozidel MHD zařízení pro výdej nebo znehodnocování jízdenek, televizní sledování prostor ve vozidle (např. u patrových vozidel) aj. Tento přehled samozřejmě nemůže být úplný, spíše ukazuje na velkou rozmanitost těchto zařízení, vesměs od specializovaných výrobců, z nichž každé mívá specifické požadavky na vlastnosti napájecí sítě. Pokud jde o původně průmyslová zařízení předpokládá se napájení sinusovým napětím s tolerancemi standardní sítě (!).

- 20 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 5. Příklady napájení vlastní spotřeby

5 PŘÍKLADY NAPÁJENÍ VLASTNÍ SPOTŘEBY Některé příklady provedení na konkrétních vozidlech byly již uvedeny v předchozích dílech. Ty nyní doplníme několika dalšími realizacemi především u novějších vozidel. 4

Na Obr. 9 je zapojení obvodů vlastní spotřeby metra Berlín podle ). Všechny spotřebiče vlastní spotřeby jsou napájeny z centrálního střídače, který vytváří standardní třífázovou síť. Zálohování je provedeno pouze u ventilace prostoru pro cestující, oddělení bateriové sítě 110 V ve vozidle a ve vlaku je provedeno diodou. 5

Následující Obr. 10 podle ) obsahuje zapojení vlastní spotřeby lokomotivy Siemens S252 pro RENFE (Španělsko). Protože jde o dvouproudovou lokomotivu, je vlastní spotřeba napájena se stejnosměrných meziobvodů. Z každého z nich je napájen jeden střídač s pevným kmitočtem a jeden s regulovatelným kmitočtem a zátěž je rozdělena po podvozcích. Pomocí naznačených přepojovačů je provedeno mnohonásobné zálohování. Analýzu možností poruchových režimů podle popisu přenechávám čitateli. Na Obr. 11 je zjednodušené schéma obvodů vlastní spotřeby elektrického motorového vozu soupravy 471 (ČD). Celá souprava je propojena jednak sběrnicí 540 V, která je napájena z motorového vozu a sběrnicí bateriového napětí. Každý ze střídačů, které napájejí kompresor (proměnným napětím a kmitočtem) a spotřebiče s napájením standardní sítí může být v případě potřeby napájen ze střídače, který normálně napájí ventilátor brzdového odporníku (odporová brzda je pak zablokována). Blok nabíječe, který může být napájen jednak ze sítě vozidla, jednak z externího zdroje obsahuje vlastní nabíječ, stabilizátor napětí sítě 24 V a pomocné zdroje napětí pro údržbu. Obr.

6

12 ukazuje schéma vlastní spotřeby vloženého vozu rychlé soupravy ICE (DB) ) jako

příklad spotřebičů v prostorech pro cestující. Spotřeba je napájena z průběžného vedení topení 2

systému pouze 1000 V, 16 /3 Hz. Topení (Heizregister) je napájeno přímo, ostatní spotřebiče přes oddělovací transformátor. Z jeho sekundárů se napájí jednak nabíječ baterie a spotřebiče 110 Vss, které mohou být v provozu i bez napětí v topném vedení. Spotřebiče, kde to není nutné nebo (pro velký příkon) není možné jsou napájeny přímo z transformátoru, motory klimatizace ze střídače s proměnným kmitočtem.

4

) Falk, P., Sauer, H.: Die elektrische Ausrüstung der neuen Triebzüge 480 für Berliner S-Bahn,

ETR 35 (1986), č. 9, str. 607-617 5

) Martin. A., Garcia de Miguel, N.: Elektrische Hochleistungs-Universallokomotive S 252 mit

Drehstromtriebstechnik, ETR 39 (1990) č. 12, str. 769..778. 6

) Knau, U.: Energieversorgungseinrichtungen und Klimaanlage des ICE-Mittelvagen, Elektrische

Bahnen 89 (1991) č. 5 str. 147...156

- 21 -


Obr. 9 Napájení vlastní spotřeby vozidel S_Bahn Berlín typ 480 (ppmetro.bmp)

- 22 -


Obr. 10 Schéma napájení vlastní spotřeby lokomotivy S 252 (Siemens pro RENFE) (pp252.bmp)

- 23 -


Obr. 11 Schéma zapojení vlastní spotřeby elektrického motorového vozu 471 (471pom1.dwg)

- 24 -


Obr. 12 Schéma napájení vloženého vozu soupravy ICE (Avmz 801 a Bvmz 802) (ppICE.bmp)

- 25 -


Obr. 13 Schéma pomocných pohonů lokomotivy „Le Shuttle“ pro tunel pod Kanálem (ABB) (pptunel.bmp)

- 26 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 5. Příklady napájení vlastní spotřeby Na Obr. 13 je schéma pomocných pohonů lokomotivy „Le Shuttel“ (ABB) Bo´Bo´Bo´, 6x960 kW, 7

140 km/h ). Normálně jsou napájeny pomocné pohony ze tří samostatných usměrňovačů, z nichž jsou napájeny střídače. Poměrně velký počet menších motorů je rozdělen do skupin tak, aby nebylo zapotřebí stykačů (rozběh příp. regulace se provádí přímo střídačem). Napájení kompresoru, čerpadel oleje, nabíjení a klimatizace stanoviště je zálohováno. Napětí pro čerpadla oleje a další menší spotřebiče je filtrováno pro dosažení „sinusovějšího“ průběhu napětí tlumivkami. Nabíjení baterie je normálně připojeno přímo na sekundární vinutí pro pomocné pohony a může být napájeno i externě. Externě lze napájet i klimatizaci stanoviště. Zařízení pro napájení pomocných pohonů a vlastní spotřeby jsou často dodávána jako výrobky specializovaných firem. Příklad kompletního zařízení pro lokomotivu 1146 (Elin pro ÖBB) je na Obr. 14 Jeho parametry jsou následující •

usměrňovač: vstupní napětí 760 V 16 /3...60 Hz, 90 kW, výstupní 540 Vss, 55 kg,

•

střídače 40 kVA, 3x380 V, 1..120 Hz 28 kg ).

2

8

Příklad provedení nabíječe baterie pro vozy včetně jeho umístění na voze a parametrů je na Obr. 9

15 podle ).

7

) Treacy, R.: „Le Shuttle“ locomotives for the Channel Tunnel, Schweizer Eisnbahn-Revue

4/1994 str. 141..156 8

) -: Transistor-Drehstrom-Hifsbetriebeumrichter für Triebfahrzeuge, Firemní materiál Elin

9

) Firemní publikace Parizzi-Milano

- 27 -


Obr. 14 Tranzistorová měničová souprava pro pomocné pohony lokomotivy 1146 (ÖBB-Elin) (ppElin.bmp)

- 28 -


Obr. 15 Nabíječ vozové baterie, umístění na vozidle a skříň (Parizzi) (nab_par.bmp)

- 29 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace

6 VENTILACE I když vlastní problematika vzduchotechniky, ventilátorů a chlazení vůbec není záležitost přímo elektrotechnická, souvisí těsně s provedením elektrických strojů a zařízením a zároveň do značné míry ovlivňuje uspořádání vozidel. Mimořádné postavení má vzduchové chlazení, protože •

je nejpoužívanější,

•

do vzduchu se v konečném efektu musí odvést všechny ztráty,

•

vzduch má v poměru ke chladicím kapalinám menší tepelnou kapacitu i menší chladivost (srv. Tab. 6) a proto pro odvedení daného výkonu je zapotřebí daleko většího množství vzduchu než kapaliny, což představuje odpovídající nároky na rozměry všech zařízení (vzduchovody),

•

vzduchový chladicí obvod je nejčastěji otevřený (u kapalinového naopak vždy uzavřený), takže je třeba řešit odstranění nečistot, prachu (někdy vodivého), vody, sněhu v nasávaném vzduchu resp. odolnost chlazených zařízení proti nim a zároveň i způsob jeho výstupu z vozidla tak, aby neohrožoval ani neobtěžoval okolí.

Tab. 6 Některé tepelné vlastnosti chladicích médií Médium

Vzduch

Voda+glycerin

Trafo olej

při 40°C

1:1

při 80°C

Měrná hmotnost γ

1,13

1260

984

kg/m

Měrné teplo cp

1,0

3280

2100

J/kg/K

50..80/5..15m/s

380

2100

W/m /K

Měrná chladivost α

Rozměr

3

2

Poznámka: hodnoty závislí na podmínkách a mohou se i značně měnit. Používání kapalinového chlazení se ovšem v poslední době značně rozšířilo i mimo transformátory, případně tlumivky. Nejprve se uplatnilo u výkonových měničů a následně i u asynchronních trakčních motorů pro vozidla MHD. Hlavními výhodami je intenzita chlazení, malé rozměry a dlouhá tepelná časová konstanta, vyrovnávající změny teploty při rychlých změnách zatížení resp. přetížení a při výběhu a stání (pro určení tepelné časové konstanty je účinné celé množství cirkulující kapaliny). Konečné chlazení kapaliny zůstává ovšem vzduchové. Některé firmy (např. Siemens) se zaměřily při konstrukci GTO bloků na odparné chlazení (Siedebadkühlung) (Obr. 16,

10

). Celý GTO blok, obsahující i zpětnou diodu a odlehčovací obvody je

hermeticky uzavřen v nádobě, naplněné zčásti speciální tekutinou s nízkým bodem varu (srv. Tab. 7) a se sníženým tlakem. V místech vývinu tepla se při teplotě varu kapalina odpařuje a odebírá chlazenému povrchu skupenské teplo aniž se (teoreticky) teplota par liší od teploty kapaliny. Páry kondenzují na povrchu nádoby (hliníková, žebrovaná), která se chladí vzduchem. Tyto bloky jsou poměrně choulostivé (hermetická nádoba, těsnění přívodů), při poruše (oblouk) v ní může vzniknout přetlak, oprava je možná pouze u výrobce atd., takže se jejich používání dále nerozšiřuje.

10

) Wiegner, G.: GTO-Stromrichter für Bahnen, ZEV-Glasers Annalen 113 (1989) č. 6/7, str.

259..278

- 30 -


Obr. 16 GTO bloky s odparným chlazení Siemens (side2x.bmp) Jiné možné principiální uspořádání ukazuje Obr.

17

11

). Použita je kapalina R 113 a výkon

měničů v prvním případě dosahuje až 6000 kW, v druhém 3800 kW při přibližně stejné hmotnosti 4500 kg a 5000 kg (jde o stacionární zařízení).

Obr. 17 Varianty odparného chlazení polovodičových měničů (sied1.bmp)

Obr. 18 Chladič s tepelnými trubicemi ALTRA 60/2 Polovodiče Praha (trubice.bmp) 11

) Firemní prospekt Mitsubishi Electric

- 31 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Podobný princip využívají tepelné trubice, které se na vozidlech rovněž používají pro chlazení měničů. Skládají se z tělesa chladiče, odpovídající kotoučovým součástem, v němž dochází odpařováním kapaliny k chlazení a z trubice, obyčejně žebrované, chlazené vzduchem, kde kapalina opět kondenzuje. Toto provedení nemá většinu nevýhod právě popsaných bloků, hodí se ovšem pouze pro chlazení polovodičových součástí, není tak kompaktní. Chová se jako normální vzduchový chladič s (teoreticky) nulovým vnitřním tepelným odporem. Jejich hlavní nevýhodou je skutečnost, že při ztrátě těsnosti se ztratí také uvedený chladicí efekt, což se ovšem pozná obyčejně teprve při zničení nechlazené součásti. Z tohoto důvodu se také tento způsob chlazení opouští. Tab. 7 Vlastnosti některých kapalin pro odparné chlazení Kapalina

Teplota tání [°C]

Teplota varu [°C]

Skupenské teplo

(při norm. tlaku)

(při norm. tlaku)

varu J/g

0

100

2255

Metylalkohol

-97,7

64,6

1100

Etylalkohol

-114,5

78,3

840

Čpavek

-77,7

-33,4

1370

46,7

130..140

97

84

Voda

R 113 Fluorinert FC-77

6.1

-110

ZDROJE TEPLA, OTEPLOVÁNÍ A CHLAZENÍ Hlavním zdrojem tepla na vozidlech, které je třeba odvést jsou ztráty elektrických strojů a

přístrojů. Zhruba je lze rozdělit na •

ztráty vedením proudu ve vodičích (úměrné čtverci proudu) a v polovodičích (sem patří také spínací ztráty), v tom i ztráty v odpornících jak brzdových tak i topných (kalorifery),

•

ztráty v magnetických obvodech, hysterezní a vířivými proudy, závislé na sycení a kmitočtu, kam lze zahrnout i ztráty v konstrukčních částech, do nichž zasahují rozptylové toky,

•

ztráty mechanické (např. v převodovkách vznikají ztráty, odhadované ve výši nejméně 2,5 % procházejícího výkonu),

•

ztráty dielektrické v kondenzátorech, relativně velmi malé, řádově 0,2...0,8 W/kVA průchozího střídavého výkonu.

Dalšími zdroji (pokud pomineme chlazení spalovacích motorů nezávislých vozidel) je například •

kompresní teplo vznikající při práci kompresorů

•

sluneční energie, v našich poměrech v létě může představovat příkon až 1 kW/m a uplatní se

2

hlavně u vozidel v klidu a mimo provoz; řešením je pouze přiměřené přirozené chlazení. V ustáleném stavu je výkon, odvedený chlazením závislý na tepelném spádu a tepelném odporu. Využitelný tepelný spád je u vzduchového chlazení dán na jedné straně nejvyšší předpokládanou (předepsanou) teplotou okolí, na druhé straně nejvyšší teplotou chlazeného povrchu.

- 32 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Nejvyšší předpokládané teploty okolí závisí na normách, zkušenostech a zvyklostech. Typické rozsahy pracovních teplot jsou v Tab. 8. Odtud jsou zřejmé potíže při výběru zařízení pro vozidla (mimo jiné). Tab. 8 Typické rozsahy pracovních teplot některých zařízení Zařízení

Minimální teplota

Maximální teplota

Laboratorní a spotřební elektronika

+5

+35

°C

Displeje LCD (standardní)

-10

+50

°C

Průmyslová elektronika a přístroje

-25

+70

°C

Teplota okolí pro vozidla ČD

-30

+40

°C

Teplota okolí pro vozidla v Rusku

-50

+50

°C

“Military” součásti a zařízení

-55

+125

°C

Nevyšší teploty chlazeného povrchu jsou dány buď požadavky chlazeného zařízení (např. třída izolace motorů, dovolená teplota polovodičů) nebo vlastnostmi chladiva (teplotou varu - voda nebo rozkladu - olej). Pokud se nechladí přímo část, kde teplo vzniká (což je téměř pravidlem, výjimku tvoří např. odporníky), je nutno vzít v úvahu tepelný spád mezi touto částí a chlazeným povrchem a tepelný spád do chladiva. Pro jednorozměrný tok tepla (což je většinou značné zjednodušení skutečnosti) lze s výhodou využít analogie s elektrickými obvody - tepelná náhradní schémata. Kromě předpokladu o jednorozměrném toku tepla je zdrojem nepřesností obyčejně nízká přesnost údajů o tepelných odporech. Přesto se tato metoda hojně využívá, pro spolehlivé výsledky je ji ovšem nutno opřít o experimentální údaje. V přechodných stavech se kromě tepelného odporu uplatňují i tepelné kapacity, dané měrnou tepelnou kapacitou a hmotností příslušných částí. V náhradním „elektrickém“ obvodu jim odpovídají kondenzátory odpovídající kapacity. Na rozdíl od kondenzátoru nebývá ovšem teplota příslušné části všude stejná, což lze respektovat tím, že se počítá jen s částí skutečné hmotnosti, což je nutno opět odvodit z měření na obdobných zařízeních. Příklad náhradního tepelného schématu asynchronního trakčního motoru je na Obr. 19.

Obr. 19 Tepelné schéma asynchronního trakčního motoru 155 kW (otepleni.dwg)

- 33 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Časový průběh zatížení ev. přetížení v provozu (více méně trvalé, krátkodobé, přetěžování atd.) v poměru k jejich tepelné časové konstantě určuje, zda stačí zařízení dimenzovat na střední nebo spíše maximální výkon (a ztráty). Pro jednoduchost budeme předpokládat, že ztráty jsou úměrné čtverci proudu, oteplování probíhá podle exponenciály a při poměrném zatížení r. 1

q=

I I jm

=1

je právě dosaženo maximálního dovoleného oteplení (to odpovídá například oteplovací zkoušce motorů). Pak lze určit dobu t(q), za niž bude dosaženo tohoto oteplení při (jednorázovém) přetížení

q > 1 , jeli dána tepelná časová konstanta τ ( q < 1 zřejmě odpovídá dílčímu zatížení) t (q ) = τ lg

r. 2

q2 q2 − 1

Průběh této závislosti je na Obr. 20. Speciálně při době zatížení, rovné časové konstantě je přetížení q=1,26. Asymptota čáry pro q<1 je v log-log souřadnicích přímka, odpovídající výrazu r. 3

q=

τ

t (q )

q

10,000

1,000 0,01

0,1

1

10

t(q)/tau

Obr. 20 Závislost poměrného přetížení na době a časové konstantě (oteplení.xls) Častějším případem je opakované cyklické zatěžování (jako zjednodušení skutečných provozních poměrů). Pokud je oteplovací i ochlazovací časová konstanta τ stejná (to může, ale nemusí být pravda - závisí na způsobu chlazení) a zatížení je cyklické s periodou T a dobou zatížení v cyklu aT je poměr skutečného výkonu při zatížení P k výkonu Pd, na který je třeba zařízení dimenzovat (trvalý výkon) vyjádřen vztahem

- 34 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace −

r. 4

aT

Pd 1 − e τ = ≤1 T P − 1− e τ

Závislosti podle r. 4 jsou v Obr. 21. tau/T=0,05

1,0 0,9

tau/T=0,2

0,8

tau/T=0,5

0,7 tau/T=1

Pd/P

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

a

Obr. 21 Závislost přetížitelnosti na časové konstantě a způsobu zatěžování (oteplení.xls) Na vozidle je řada zařízení se značně rozdílnými tepelnými časovými konstantami (srv. Tab. 9), takže pro hospodárný návrh by měla být jednotlivá zařízení také různě dimenzována (ve smyslu stanovení trvalého výkonu). Význam tepelné časové konstanty při značně proměnlivém provozním zatížení je zřejmý. Tab. 9 Tepelné časové konstanty typických zařízení Zařízení

6.2

Časová konstanta

Měnič s nuceným chlazením vzduchem

2

min.

Dtto s olejovým chlazením

15

min.

Trakční motor s cizím chlazením

20

min.

Trakční transformátor

60

min.

VENTILÁTORY Ventilátory jsou určeny pro dopravu vzduchu (podrobnější, široké a přehledné informace viz např.

12

), odkud jsou převzaty také následující obrázky). Provedení axiálního ventilátoru je na Obr. 12

) Čermák, J. a kol.:Ventilátory, SNTL Praha 1974 - 35 -

2.

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Kromě výkonu se ventilátory liší počtem oběžných kol (1°a 2°) a použitím rozvád ěcích lopatek. Jejich základní parametry při jmenovitých otáčkách jsou •

množství dodávaného vzduchu Q [m /s],

•

přetlak p [Pa]

•

příkon motoru P [kW].

3

2

(Platí: 1 Pa=1kg/m , 10 Pa=1 mm H2O, 100 kPa=1 Bar.) Výkon ventilátoru na straně vzduchu Pv [kW] je dán součinem r. 5

Pv = p.Q

[kW , kPa, m / s ] 3

a účinnost ventilátoru v daném bodě je zřejmě Pv/P. Tato účinnost v optimálním pracovním bodě obyčejně nepřesahuje 60 %. Vlastnosti ventilátoru ve vzduchovém obvodu vyjadřuje jeho charakteristika, udávající závislost tlaku na množství podle Obr. 22.

Obr. 22 Charakteristika ventilátoru a zátěže (vent_3a.bmp) Charakteristika vzduchové zátěže - hydraulický odpor pro každý konkrétní tvar cesty vzduchu závisí na čtverci rychlosti, pro cestu, skládající se z více různých úseků se odpory sčítají. Protože rychlost vzduchu je úměrné dopravovanému množství je průběh hydraulických odporů v Obr. 22 parabola. Průsečík charakteristik ventilátoru a zátěže odpovídá pracovnímu bodu, který určuje skutečné množství a tlak. Protože množství vzduchu je úměrné otáčkám ventilátoru, platí základní úměry r. 6

Q~n

p ~ n2

Pv ~ n 3

Změnou otáček tedy lze hospodárně měnit množství dodávaného (chladicího) vzduchu, jak je znázorněno na Obr. 23. Při změně otáček z n1 na n3 se změní množství z Q1 na Q2 . Množství vzduchu lze také snížit škrcením, umělým zvětšením hydraulických odporů. Poměry jsou zobrazeny na Obr. 24. Jde ale o regulaci nehospodárnou. Konečně lze změnit charakteristiky ventilátoru natočením (přestavením) jeho lopatek, jak je ukázáno na Obr. 25.

- 36 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Ve všech případech se ovšem zároveň mění účinnost ventilátoru a příkon jeho motoru, což je třeba při úpravách respektovat. Kromě toho při snaze o přílišné zvýšení tlaku se může pracovní bod dostat do nestabilní oblasti a ventilátor „pumpuje“.

Obr. 23 Vlastnosti ventilátoru při změně otáček (vent_4.bmp)

Obr. 24 Řízení množství vzduchu škrcením (vent_3.bmp)

- 37 -


Obr. 25 Vliv změny natočení lopatek (vent_2.bmp) Pro určení parametrů ventilátoru pro vychlazení daných ztrát je tedy zapotřebí znát dvě veličiny: množství a tlak vzduchu. Pro určení množství lze odvodit jednoduchý vztah r. 7

∆P = Q cv ∆ϑ

[W , m

3

/ s, Ws / m3 / K , K

]

Pro vzduch 40°C je cv=1136 Ws/m /K, takže vezmeme li cv ≈ 1000 můžeme zhruba počítat, že 3

3

1 kW ztrát oteplí proud vzduchu 1 m /s o 1 K, což pro orientační výpočet docela dobře stačí. Odhad potřebného tlaku lze bohužel opřít pouze o výsledky měření na podobných zařízeních.

6.3

PROVEDENÍ VENTILAČNÍCH OBVODŮ NA VOZIDLECH Při použití cizího chlazení představuje uspořádání vzduchového obvodu osu, která propojuje

nejdůležitější zařízení, především elektrická. Jsou jimi jak chlazená zařízení, tak i pomocné pohony. Ohled je třeba brát na různé požadavky jednotlivých zařízení na chlazení, zálohování v trakčních obvodech (blokové uspořádání je třeba dodržet i při chlazení), možnosti sání a výfuku vzduchu, přístupnost všech zařízení, způsob jejich montáže a především omezený prostor pro umístění celého zařízení. U vozidel, která jsou určena pro dopravu cestujících jsou elektrická zařízení umístěna v kontejneru, těsné skříni, která je umístěna pod podlahou nebo na střeše vozidel. Jeho součástí je zpravidla i ventilátor, který chladí zařízení v něm umístěná, především měniče, tlumivky, odporníky atd. Celé zařízení je konstruováno jako maximálně ucelený blok s minimálními vazbami na ostatní zařízení (minimální počet přívodů). Vzhledem k omezené stavební výšce asi 400..600 mm a umístění prochází chladicí vzduch obyčejně středním vzduchovodem horizontálně kolem zařízení, která jsou umístěna po obou stranách a přístupná z boků (srv. Obr. 15). Vstup vzduchu může být axiální (pak se ovšem poměry mění v závislosti na směru jízdy) nebo se směruje zdola (a lze očekávat zvětšený obsah nečistot) nebo z boků (kde zase zabírá prostor, využitelný pro jiná zařízení). Výstup bývá nejčastěji pod vůz. Příklad takového uspořádání se dvěma oddělenými vzduchovými obvody je na Obr.

26 pro

13

dvoudílnou tramvaj pro Baltimore ). Výkon trakčních motorů 640 kW, trakční střídače GTO s chlazení 13

) Söderström, J., Holgersson, M.:Stadtbahntriebwagen für Baltimore, ABB Technik 1990 č. 9 str.

11..17 - 38 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace s tepelnými trubicemi. S elektrickým zařízení přichází do styku pouze „vnitřní“ vzduch, který obíhá pouze uvnitř kontejnéru a sám je chlazen ve výměníku vzduch-vzduch (pozice 5) „vnějším“ vzduchem.

Obr. 26 Uspořádání zařízení a dvouokruhové chlazení kontejnéru (kont2.bmp) Druhý příklad kontejneru na Obr. 27 je určen pro třídílnou tramvaj „Tram 2000-III“ pro Zürich. Tramvaj se dodává ve dvoudílném a třídílném provedení (v uspořádání 2´B´a B´2´B´) se skupinovým pohonem dvou náprav v podvozku asynchronním motorem 157 KW

14

)

Ritter,

U.,

Hasler,

F.:

14

).

Strassenbahn-Gelenktriebwagen

Typ

„Tram

2000-III“

Verkehrsbetriebe Zürich mit Drehstromantrieb, firemní publikace ABB Verkehrssysteme AG

- 39 -

der


Obr. 27 Kontejnér pro tramvaj pro Zürich (ABB) (kont1.bmp) U lokomotiv a patrových vozidel, kde je zařízení umístěno ve strojovně (strojovnách) existuje řada různých možností co do sání, výfuku a uspořádání zařízení. V závislosti na tom, jak vzduch vstupuje do strojovny a jak je v ní rozváděn lze rozlišit dva hlavní způsoby. •

Sání do strojovny. Vzduch vstupuje přes žaluzie a filtry v bočnicích, případně šikmé části střech do prostoru strojovny a odtud ho nasávají jednotlivé ventilátory buď přímo nebo přes chlazené zařízení (Obr.

28a)). Místo nasávání přes bočnice se užívá také nasávání

podlahou, obyčejně jen přes mříž (Obr. 28b)).

Obr. 28 Varianty uspořádání vzduchového obvodu ve strojovně (stroj.dwg) •

Sání přes nasávací skříň. Vzduch vstupuje přes žaluzie a filtry do uzavřeného prostoru pod střechou (Obr. 28c)) nebo do uzavřené uličky (Obr. 28d)) a odtud je odebírán pro chlazení jednotlivých zařízení.

Umístění a provedení nasávacího prostoru má být takové, aby při minimální tlakové ztrátě byly odstraněny ze vzduchu nečistoty a voda. K tomu je zapotřebí, aby plochy pro sání byly dostatečně velké a filtry účinné, pokud možno bez požadavků na údržbu. To ovšem bez kompromisů nelze splnit.

- 40 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Zároveň je třeba počítat s tím, že v místech (za filtrem), kde rychlost vzduchu klesne mají zbylé nečistoty tendenci usazovat se (sníh tát). Sání přes strojovnu poskytuje poměrně velkou plochu pro sání, ale všechna jemnější zařízení ve strojovně musí být umístěna v těsných skříních (nárůst hmotnosti a zajištění odvádění tepla, které v nich eventuálně vzniká). Ve strojovně je proti okolí a stanovišti podtlak o tlakový spád na filtrech. Na druhé straně může odpadnout většina vzduchovodů, vzduch se nasává přímo z prostoru strojovny, takže lze použít většího počtu menších ventilátorů, aniž by vznikaly problémy se vzduchovody. Sání přes nasávací skříň odděluje „špinavý“ prostor nasávací skříně od „čistého“ prostředí strojovny. Sání do uličky poskytuje větší plochu pro sání, nasávací skříně pod střechou obyčejně šetří prostor pro vzduchovody, ale snižují využitelnou výšku strojovny. Ve strojovně bývá mírný přetlak, který se vytvoří výfukem potřebného množství vzduchu do strojovny. Ten brání vnikání nečistot. Problém může působit i výstup vzduchu, který nesmí působit víření prachu, neměl by být znovu nasáván jako chladicí, neměl by ohřívat například zařízení, umístěná na střeše vozidla (zvlášť se to týká horkého vzduchu z odporníků) atd. Pro odlučování nečistot lze využít i vlastní činnost ventilátoru podle Obr. 29 Parametry: průměr 3

500 mm, 3,2 m /s, 2942 Pa, 2x7,5 kW (protiběžná oběžná kola), hmotnost 161 kg, účinnost čištění 7094 %, aplikace na lokomotivě 1044 ‚İBB

15

).

Obr. 29 Ventilátor Zyklon ZA 500 (Elin) s odlučovačem nečistot (zyklon.bmp) Ideálním uspořádáním z hlediska chlazení i spolehlivosti by bylo vybavit každé chlazené zařízení vlastním ventilátorem (případně i měničem). To vede k použití mnoha menších ventilátorů. K tomuto 15

) Firemní prospekt Elin

- 41 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace ideálu se lze více či méně přiblížit, ale požadavky na hospodárnost návrhu a prostorová omezení vyžadují kompromisy. V zásadě lze chlazená zařízení řadit vzhledem ventilátoru paralelně nebo do série. Paralelně (Obr. 30a)) je vhodné řadit stejná zařízení, např. trakční motory, u kterých lze snáze zajistit správné rozdělení vzduchu (které je při paralelním zapojení vzduchových obvodů dosti kritické). Také podmínky pří řízené ventilaci jsou jasné a její efekt lze plně využít.

Obr. 30 Paralelní a sériové řazení chlazených zařízení (oteplení.dwg) Sériové řazení (Obr.

30b)) chlazených zařízení (zpravidla různých) do vzduchového obvodu

zajišťuje sice definované a stejné množství vzduchu pro všechna zařízení, ale každé další zařízení je chlazeno vzduchem, jehož teplota je vyšší než na sání o oteplení vzduchu ztrátami předchozích zařízení a tím se zmenšuje tepelný spád a účinnost chlazení dalších zařízení. Příkon pro ventilaci tedy musí být zřejmě větší než při jiném uspořádání. V praxi se oba způsoby různě kombinují jak bude ukázáno na konkrétních případech. Někdy se některá zařízení vkládají do sání ventilátorů. Zajišťuje se tím rovnoměrnější rozdělení vzduchu na vstupním otvoru. Podmínkou je, že zařízení na vstupu nezpůsobí zřetelné oteplení vzduchu, který zároveň chladí ventilátorový motor. Uspořádání chlazení brzdových odporníků bylo probráno již dříve. U větších odporníků je nejvýhodnější uspořádání s přímým průchodem vzduchu zdola nahoru tak, aby po vypnutí ventilátoru zbytkové teplo z odporníku neohrožovalo ventilátor přirozených prouděním.

6.4

PŘÍKLADY PROVEDENÍ CHLAZENÍ Podrobné údaje o chladicích poměrech se v literatuře udávají spíše výjimečně. Několik

následujících příkladů má poskytnout základní představu o sledované problematice. Na Obr. 31 je ukázán v příčném řezu strojovnou průchod vzduchu již dříve popsané francouzské 16

lokomotivy SYBIC se sáním bočnicemi ).

16

)Boutonnet, J.C.: Lokomotive Baureihe 26 000 SYBIC der Société Nationale des Chemins dr fer,

Elektrische Bahnen 92 (1994) č. 1/2, str. 38..46

- 42 -

Elektrická trakce 6.- Vlastní spotřeba a chlazení 6. Ventilace Schéma chlazení a uspořádání strojovny také již zmiňované lokomotivy SBB řady 460 je na Obr. 32 a Obr.

33 podle

17

). Ze schématu je zřejmá snaha o individuální napájení hlavních zařízení

(motory) a k nim jsou přidružena další drobnější zařízení. Vzduch se nasává do nasávací skříně pod střechou (na Obr. 33 jsou dobře patrné vstupy vzduchu do jednotlivých ventilátorů).

Obr. 31 Schéma ventilace lokomotivy 26 000 SYBIC (SNCF) (ch_syb.bmp)

17

) Gerber, M., Drabek, E., Müller, R.: Die Lokomotiven 2000 - Serie 460 - der Schweizerischen

Bunsedbahnen, Schweizerischen Eisenbahn-Revue 10/1991 str. 3-47

- 43 -


Obr. 32 Schéma chlazení lokomotivy 460 (SBB) (ch460.bmp)

- 44 -


Obr. 33 Uspořádání elektrické výzbroje ve skříni lokomotivy 460 (SBB) (olej460.bmp) Na Obr. 34 a Obr. 35 jsou schémata provedení vzduchových a olejových chladicích obvodů lokomotivy BR 101 (DB)

18

). Lokomotiva má pro trakční měniče (pulzní usměrňovače a střídače GTO)

použito olejové chlazení.

18

) Still, L., Hammer, W.: Auslegung und elektrischer Leistungsteil der Lokomotive Baureihe 101,

Elektrische Bahnen 1996, č. 8/9, str. 235..247

- 45 -


Obr. 34 Celkové schéma ventilace lokomotivy BR 101 (ADtranz) (ch101.bmp)

Obr. 35 Schéma chlazení oleje transformátoru a měničů lokomotivy BR 101 (DB) (olej101.bmp)

- 46 -

ELEKTRICKÁ TRAKCE 6. VLASTNÍ SPOTŘEBA A CHLAZENÍ

Recommend Documents