ˇ Lokomotiva ˇ rady 163 (Skoda 71E) Jan Kaˇspar ´ ı nad Labem, Resslova 5 Stˇredn´ı pr˚ umyslov´a ˇskola v Ust´
[email protected] 16.4.2015 Abstrakt Lokomotiva ˇrady 163 (71 E2-3) byla vytvoˇrena z dvousyst´emov´e lokomotivy ˇrady 363 vypuˇstˇen´ım ˇc´asti pro stˇr´ıdav´ y syst´em. Vznikla tak univerz´ aln´ı trat’ov´ a lokomotiva pro nap´ajec´ı syst´em 3 kV stejnosmˇern´ y s pulzn´ı regulac´ı. Koncepˇcnˇe se tato lokomotiva liˇs´ı od ostatn´ıch stejnosmˇern´ ych lokomotiv jak v mechanick´e ˇc´asti, tak zejm´ena v elektrick´e ˇc´asti silnoproud´e i slaboproud´e. Skˇr´ıˇ n lokomotivy m´a na obou konc´ıch ˇr´ıd´ıc´ı stanoviˇstˇe pro obsluhu, jejichˇz zaˇr´ızen´ı je unifikov´ano. Lokomotiva ˇ byla vyr´ abˇena v plzeˇ nsk´e Skodovce a na jej´ı konstrukci se pod´ılely z´avody ˇ polovodiˇce CKD o.p.
1
´ Uvod
Lokomotiva ˇrady 163 patˇr´ı mezi nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı stejnosmˇern´e lokomotivy. C´ılem ˇcl´anku je popsat hlavnˇe elektrickou ˇc´ast lokomotivy a porovnat rozd´ıly oproti ˇ prvn´ı generaci lokomotiv Skoda. Tyto lokomotivy vystˇr´ıdaly prvogeneraˇcn´ı stroje z pades´at´ ych let. Jejich n´astupem se dos´ahlo menˇs´ı spotˇreby elektrick´e energie, jelikoˇz star´a odporov´a regulace byla velmi ztr´atov´a. Pˇri rozjedu tak maˇrila velk´e mnoˇzstv´ı elektrick´e energie na teplo v odporn´ıc´ıch. Pulzn´ı regulace umoˇzn ˇuje u ´sporn´e rozjezdy lokomotiv bez zbyteˇcn´ ych ztr´at na teplo. Proto se tak´e tyto stroje staly nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım typem a jsou v hojn´e m´ıˇre vyuˇz´ıv´any v osobn´ı i n´akladn´ı pˇrepravˇe. S tˇemito lokomotivami se m˚ uˇzeme v hojn´e m´ıˇre setkat jak na ˇcesk´ ych, tak i na slovensk´ ych ˇzeleznic´ıch.
1
ˇ Obr´azek 1: Typov´ y v´ ykres lokomotivy ˇrady 163 - SKODA 71E 2
Parametry: Uspoˇra´d´an´ı n´aprav Hmotnost Maxim´aln´ı rychlost Pr˚ umˇer kol maxim´alnˇe Pr˚ umˇer kol stˇrednˇe Pr˚ umˇer kol minim´alnˇe D´elka pˇres n´arazn´ıky D´elka skˇr´ınˇe lokomotivy ˇıˇrka skˇr´ınˇe lokomotivy S´ V´ yˇska lokomotivy V´ yˇska zaklesnut´eho sbˇeraˇce Minim´aln´ı v´ yˇska troleje Maxim´aln´ı v´ yˇska troleje Vzd´alenost smykadel sbˇeraˇc˚ u Vzd´alenost otoˇcn´ ych ˇcep˚ u Rozvor podvozk˚ u Vzd´alenost krajn´ıch os kol Pˇrevod Minim´aln´ı polomˇer oblouku Minim´aln´ı polomˇer oblouku - Pˇri rychlosti 10 km/h Rozsah napˇet´ı v troleji Trval´ y v´ ykon Trval´ y proud zadn´ıho podvozku - Pˇri bud´ıc´ım proudu - Pˇri napˇet´ı kotev Rychlost pˇri trval´em v´ ykonu a Ik Trval´a taˇzn´a s´ıla Maxim´aln´ı v´ ykon / 5 min. Maxim´aln´ı dovolen´ y proud Maxim´aln´ı taˇzn´a s´ıla Trval´ y v´ ykon elektrodynamick´e brzdy
2
BoBo 85 t 120 km/h 1250 mm 1215 mm 1180 mm 16800 mm 15500 mm 2940 mm 4000 mm 4640 mm 4900 mm 6300 mm 8000 mm 8300 mm 3200 mm 11500 mm 1:3,6 120 m 90 m 2 - 3,6 kV 3060 kW 715 A 85 A 1150 V 59,3 km/h 176 kN 4950 kW 1100 A 270 kN 3000 kW
Popis mechanick´ eˇ c´ asti
Pˇrenos pod´eln´ ych sil je proveden stˇredn´ım otoˇcn´ ym ˇcepem, zalisovan´ ym do stˇredn´ıho pˇr´ıˇcn´ıku kaˇzd´eho podvozku. V kaˇzd´em podvozku jsou uloˇzeny dva trakˇcn´ı motory, pevnˇe uchycen´e ve tˇrech bodech. Kroutic´ı moment se pˇren´aˇs´ı z moˇ tor˚ u na pastorek pˇrevodov´e skˇr´ınˇe kloubovou spojkou SKODA. Pˇrevodov´a skˇr´ıˇ n je z mont´aˇzn´ıch d˚ uvod˚ u rozdˇelena na dvˇe ˇca´sti. Pastorek je ve st´al´em z´abˇeru s velk´ ym ozuben´ ym kolem, upevnˇen´ ym na n´apravˇe dvojkol´ı. Vypruˇzen´ı lokomo-
3
tivy je dvoustupˇ nov´e a je provedeno ˇsroubov´ ymi v´alcov´ ymi pruˇzinami. Svisl´e a pˇr´ıˇcn´e tlumen´ı cel´e pruˇz´ıc´ı soustavy zajiˇst’uj´ı hydraulick´e tlumiˇce. Pro vyrovn´av´an´ı klopn´ ych sil podvozk˚ u je lokomotiva vybavena ˇctyˇrmi pneumatick´ ymi vyrovn´avaˇci n´apravov´ ych tlak˚ u. Na lokomotivˇe jsou ˇctyˇri stejnosmˇern´e, cize buzen´e motory s kompenzaˇcn´ım vinut´ım. Regulace v´ ykonu je plynul´a, bezkontaktn´ı, z´avisl´a na pomˇern´em otevˇren´ı pulzn´ıch mˇeniˇc˚ u. Takt´eˇz pomocn´e pohony jsou nap´ajeny z vlastn´ıho pulzn´ıho mˇeniˇce. Kola n´aprav nejsou brzdˇena klasick´ ymi zdrˇzemi, ale brzdov´ ymi jednotkami jednostrannˇe.
3
Popis elektrick´ eˇ c´ asti
Pulzn´ı mˇeniˇce Je to bezkontaktn´ı regul´ator napˇet´ı na kotv´ach trakˇcn´ıch motor˚ u. Skl´ad´a se z hlavn´ıch tyristor˚ u (TH), komutaˇcn´ıho kondenz´atoru (CK), komutaˇcn´ıho reaktoru (LK), omezovac´ıho reaktoru (LO), zh´aˇsec´ıch tyristor˚ u (TZ), ˇ zh´aˇsec´ıch diod (DZ) a nulov´ ych diod (D0). Cinnost pulzn´ıho mˇeniˇce je ˇr´ızena regul´atorem tahu, um´ıstˇen´em ve skˇr´ıni elektroniky na I. Stanoviˇsti strojvedouc´ıho. Kotevn´ı pulzn´ı mˇeniˇc (PULS DELTA A) pracuje s frekvenˇcnˇe f´azov´ ym ˇr´ızen´ım pomˇern´eho otevˇren´ı. Hlavn´ı tyristory sp´ın´a frekvencemi 33 1/3 Hz, 100 Hz a 300 Hz, zh´aˇsec´ı tyristory sp´ınaj´ı se stejnou frekvenc´ı jako hlavn´ı tyristory, ale s ˇcasov´ ym zpoˇzdˇen´ım. Mˇeniˇc buzen´ı BATYR Delta A spolupracuje s kotevn´ımi pulzn´ımi mˇeniˇci a po u ´pln´em otevˇren´ı mˇeniˇc˚ u kotev pˇrich´az´ı na ˇradu opˇet plynul´e odbuzov´an´ı motor˚ u. Je to obdoba shuntov´an´ı na odporov´ ych lokomotiv´ach. Na I. stanoviˇsti je skˇr´ıˇ n elektroniky, kter´a m´a za u ´kol ˇr´ıdit ˇcinnost lokomotivy. Najdeme v n´ı napˇr´ıklad regul´ator tahu, regul´ator pro pomocn´e pohony a tedy i ˇr´ıd´ıc´ı ˇclen pro PM UNIPULS, kter´ y najdeme ve strojovnˇe po stranˇe uliˇcky naproti kapacitn´ı baterii (a z´aroveˇ n i vstupn´ımu filtru) C04.
3.1
Unipuls
Jedn´a se o pulzn´ı mˇeniˇc, kter´ y reguluje chod pomocn´ ych pohon˚ u na lokomotivˇe. Je ˇr´ızen ze skˇr´ınˇe elektroniky a m´a plynulou regulaci napˇet´ı. Vytv´aˇr´ı se zde napˇet´ı 600 VDC a 440 VDC pro pomocn´e pohony. Centr´aln´ı nap´ajeˇc pln´ı funkci nap´ajen´ı skˇr´ınˇe elektroniky 115 V 400 Hz a z´aroveˇ n obsahuje nab´ıjeˇc lokomotivn´ı baterie ’ pro palubn´ı s´ıt 48 VDC.
4
Hlavn´ı rozd´ıly v elektrick´ eˇ c´ asti oproti I. geˇ neraci lokomotiv SKODA
Hlavn´ı rozd´ıl tvoˇr´ı oproti pˇredchoz´ı generaci v elektrick´e ˇc´asti zp˚ usob regulace v´ ykonu na kotv´ach (rotorech) trakˇcn´ıch motor˚ u. Rotory (kotvy) motor˚ u jsou
4
nap´ajeny z pulzn´ıch mˇeniˇc˚ u rozdˇelen´ ych na ˇctyˇri ˇca´sti, vz´ajemnˇe od sebe posunut´ ych o 90 ◦ elektrick´ ych. Podle pouˇzit´ı tyto mˇeniˇce naz´ yv´ame kotevn´ımi pulzn´ımi mˇeniˇci. Bud´ıc´ı vinut´ı je t´eˇz nap´ajeno z pulzn´ıho mˇeniˇce. Motory jsou pouˇzity stejnosmˇern´e s ciz´ım buzen´ım. Vinut´ı nap´ajeno z budiˇce – zaˇr´ızen´ı, kter´e m´a na v´ ystupu stejnosmˇern´e napˇet´ı. Hlavn´ım prvkem v pulzn´ıch mˇeniˇc´ıch je tyristor.
4.1
Tyristor
Obr´azek 2: Sch´ematick´a znaˇcka tyristoru Je polovodiˇcov´a souˇca´stka, schopn´a sp´ınat bezkontaktnˇe velk´e proudy a napˇet´ı. Princip tyristoru: Na ˇr´ıd´ıc´ı elektrodu naz´ yvanou jako gate (G) se pˇrivede ˇr´ıd´ıc´ı impulz. Ten m´a stejnou polaritu jako napˇet´ı na anodˇe tyristoru. Po sepnut´ı z˚ ust´av´a tyristor zapnut´ y. Obecnˇe vyp´ın´a pˇri poklesu proudu k nule. Ve stˇr´ıdav´ ych obvodech se tedy tyristor s´am vypne pˇri pr˚ uchodu proudu nulou (sinusov´ y pr˚ ubˇeh). Sloˇzitˇejˇs´ı je to vˇsak v obvodech stejnosmˇern´ ych. Zde je potˇreba proud donutit klesnout k nule. Tomuto se ˇr´ık´a, ˇze se vytv´aˇr´ı protiproud, k ˇcemuˇz se vyuˇz´ıvaj´ı komutaˇcn´ı obvody, kter´e tyristor v podstatˇe na malou chv´ıli zkratuj´ı nebo pˇriv´ad´ı proud v z´avˇern´em smˇeru na tyristor. T´ım se dos´ahne vypnut´ı. V dneˇsn´ı dobˇe se j´ıˇz tyristory moc nevyuˇz´ıvaj´ı. Pomalu je ze sc´eny vytlaˇcuj´ı IGBT tranzistory.
4.2
IGBT Tranzistor
IGBT (insulated gate bipolar transistor) tranzistory maj´ı oproti tyristor˚ um tu v´ yhodu, ˇze nepotˇrebuj´ı komutaˇcn´ı obvody. IGBT je prvek hybridn´ıho typu. Jedn´a se o souˇca´stku sloˇzenou z unipol´arn´ıho a bipol´arn´ıho tranzistoru. M˚ uˇzeme tedy tvrdit, ˇze IGBT je bipol´arn´ı tranzistor ˇr´ızen´ y napˇet´ım, zat´ımco klasick´ y bipol´arn´ı tranzistor je ˇr´ızen´ y mal´ ymi proudy pˇriv´adˇen´ ymi do b´aze.
4.3
Stejnosmˇ ern´ y cize buzen´ y motor - princip
Kaˇzd´ y elektrick´ y motor je sloˇzen se statoru (ˇca´st, kter´a pˇri chodu stoj´ı, je tedy statick´a, proto stator) a rotoru (ˇc´ast, kter´a se pˇri chodu toˇc´ı – rotuje, proto ro5
Obr´azek 3: Sch´ematick´a znaˇcka IGBT tranzistoru tor). Aby se jak´ ykoliv motor roztoˇcil, je tˇreba vytvoˇrit dva toˇciv´e momenty, kter´e na sebe vz´ajemnˇe p˚ usob´ı. Na tˇechto stroj´ıch jsou pouˇzity stejnosmˇern´e, cize buzen´e motory. U tˇech se tyto momenty vytv´aˇrej´ı pomoc´ı dvou magnetick´ ych pol´ı, kter´a jsou charakterizov´ana magnetickou veliˇcinou, magnetick´ ym tokem. Magnetick´ y tok m˚ uˇzeme vyvolat permanentn´ımi magnety, nebo elektromagnety. Cize buzen´e motory maj´ı oba toky vyvol´avan´e elektromagnety. Tyto dva toky jsou na sebe nez´avisl´e, vinut´ı jsou nap´ajena z vlastn´ıch zdroj˚ u (jak rotor, tak buzen´ı) Pracuj´ı na principu elektromagnetick´e indukce. Na rotoru najdeme takzvan´ y komut´ator s drˇz´aky kart´aˇc˚ u. Toto zaˇr´ızen´ı m´a za u ´kolu mˇenit smˇer napˇet´ı ve vinut´ı rotoru pˇri pr˚ uchodu neutr´aln´ı osou, ve kter´e je komutuj´ıc´ı c´ıvka zkratov´ana kart´aˇci. Nast´av´a zde ale probl´em. Magnetick´ y tok bud´ıc´ıho vinut´ı (takzvan´ y tok bud´ıc´ı) a tok vznikaj´ıc´ı v rotoru (tok reakˇcn´ı) jsou na sebe kolm´a. To zp˚ usobuje deformovanou v´ yslednici. Tomuto jevu se ˇr´ık´a reakce kotvy. Ta se d´a potlaˇcit dvˇema zp˚ usoby. Bud’to pomocn´ ymi p´oly (jedn´a se o p´olov´e n´astavce s vinut´ım, kter´e jsou pˇripevnˇen´e na statoru v neutr´aln´ı ose). Jsou zapojeny do s´erie s rotorem a vytv´aˇrej´ı tok s podobn´ ym tvarem jako tok reakˇcn´ı, ale v opaˇcn´em smˇeru p˚ usoben´ı, coˇz zp˚ usob´ı jejich odeˇcten´ı a reakce se potlaˇc´ı. Druh´ ym zp˚ usobem je pouˇzit´ı kompenzaˇcn´ıho vinut´ı navinut´eho do p´olov´ ych n´astavc˚ u hlavn´ıch p´ol˚ u na statoru. Reakce kotvy je tak´e nepˇr´ıjemn´ y jev spojen´ y s jiskˇren´ım kart´aˇc˚ u na komut´atoru. K jiskˇren´ı vede i dalˇs´ı jev a to zrychlen´a nebo zpomalen´a komutace. Ide´aln´ı pr˚ ubˇeh komutace by mˇel b´ yt pokud moˇzno line´arn´ı. To vˇsak v praxi leckdy nelze realizovat. Komutace je potom zpomalen´a nebo zrychlen´a, coˇz zp˚ usobuje jiskˇren´ı kart´aˇc˚ u na zaˇc´atku nebo na konci. Zpomalen´a komutace je jev, kdy se proud v indukˇcnosti snaˇz´ı zachovat p˚ uvodn´ı smˇer a velikost proudu a br´an´ı se zmˇenˇe. Nakonec vˇsak pr˚ ubˇeh mus´ı dos´ahnout nuly a tak nastane velk´a strmost 6
proudu ve vinut´ı. To zp˚ usobuje jiskˇren´ı kart´aˇc˚ u na konci. Pokud vˇsak kompenzaci pˇrekompenzujeme, doch´az´ı k takzvan´e zrychlen´e komutaci. Kart´aˇce potom jiskˇr´ı na zaˇca´tku.
4.4
Fechralov´ e brzdov´ e odporn´ıky
Fechral m´a velk´ y elektrick´ y odpor (aˇz 3MΩ/m). V slitinˇe m´a vysok´ y bod t´an´ı o (1450 − 1500 C). M´a tak´e velkou hustotu (7,2g/cm3). V odporn´ık´ach se pouˇz´ıv´a jako kovov´ y p´asek, navinut´ y na porcel´anov´em tˇelese.
4.5
Princip elektrodynamick´ e brzdy
Celkov´a funkce spoˇc´ıv´a ve zmˇenˇe reˇzimu chodu trakˇcn´ıch motor˚ u. Motory jiˇz nepracuj´ı jako motory, ale jako cize buzen´a dynama. Indukuje se v nich napˇet´ı. D´ale se stroje pˇripoj´ı k brzdov´ ym odporn´ık˚ um. Napˇet´ı zaˇcne protlaˇcovat proud odpory a elektrick´a energie se zaˇcne mˇenit na energii tepelnou podle Joule-Lenzova z´akona Q = RI 2 t [J]. R je odpor odporn´ık˚ u, I je proud tekouc´ı odporn´ıkem zapojen´ ym na kotvy trakˇcn´ıch motor˚ u a t je ˇcas, po kter´ y proud odpory prot´ek´a. Z´avislost tepla na proudu je kvadratick´a. Indukovan´e napˇet´ı lze urˇcit vztahem Ui = Blv [V] nebo tak´e Ui = kΦω [V]. Z tˇechto vztahu vypl´ yv´a i fakt, ˇze celkov´e indukovan´e napˇet´ı se bude sniˇzovat s ot´aˇckami dynama (trakˇcn´ıho motoru pracuj´ıc´ıho jako dynamo).
5
Hlavn´ı rozd´ıly v mechanick´ eˇ c´ asti oproti I. geˇ neraci lokomotiv SKODA
V mechanick´e ˇca´sti doznala lokomotiva tak´e p´ar zaj´ımav´ ych zmˇen. Oproti prvn´ı generaci jsou zde pouˇzity brzdov´e jednotky m´ısto klasick´eho brzdov´eho mechanismu. Kola n´aprav jsou brzdˇena jednostrannˇe, coˇz vede k pomalejˇs´ımu opotˇreben´ı n´akolk˚ u a t´ım i celkov´e ˇzivotnosti jednotliv´ ych n´aprav lokomotivy. R´am podvozku je svaˇren ze samostatn´ ych d´ıl˚ u a odlitk˚ u. Lokomotiva je pˇrevody omezena na maxim´aln´ı rychlost 120 km.h−1 .
6
Z´ avˇ er
ˇ Lokomotivy ˇrady 163 jsou od sv´eho vzniku nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı lokomotivami jak v Cesk´e republice tak na Slovensku. Jejich podmanivou pˇrezd´ıvku Perˇsing dostaly podle stejnojmenn´ ych stˇrel kr´atk´eho doletu, vyv´ıjen´ ych v Nˇemecku. Po neslavˇ ast tˇechto stroj˚ n´ ych zaˇca´tc´ıch patˇr´ı mezi nejspolehlivˇejˇs´ı lokomotivy. C´ u bylo pˇrestaveno na lokomotivy 363.5, kter´e pˇrich´azej´ı s nov´ ym syst´emem ˇr´ızen´ı v´ ykonu. Tento syst´em vyuˇz´ıv´a pr´avˇe tranzistory IGBT. Nˇekolik stroj˚ u dostalo tak´e nov´e 7
pˇrevodov´e skˇr´ınˇe, kter´e umoˇznily zv´ yˇsit maxim´aln´ı rychlost ze 120 km/h na rychlost 140 km/h.
Reference ´ ı nad Labem: doplnˇek, Doplnˇek pˇr´ıruˇcky lokomotiv [1] Lokomotivn´ı depo Ust´ ˇrady 163. ˇ [2] Lokomotivn´ı depo Ostrava: s´erie pˇr´ıruˇcek k ˇradˇe E499.3; Skoda 71E - 163, Seznam elektrick´ ych zaˇr´ızen´ı a obrazov´a pˇr´ıloha. ˇ [3] Lokomotivn´ı depo Ostrava: s´erie pˇr´ıruˇcek k ˇradˇe E499.3; Skoda 71E - 163, Funkˇcn´ı popis a n´avod k obsluze lokomotivy ˇrady 163/E499.3-71E/. ˇ [4] Lokomotivn´ı depo Ostrava: s´erie pˇr´ıruˇcek k ˇradˇe E499.3; Skoda 71E ’ 163, Pom˚ ucka pro zjiˇst ov´an´ı z´avad a poruchov´ ych stav˚ u lokomotivy ˇrady 163/E499.3-71E/. [5] Typov´y v´ykres, http://www.atlaslokomotiv.net/katalog/163/vykres. jpg, odkaz 16. 4. 2015. [6] Znaˇcka IGBT, http://www.microst.it/Tutorial/images/igbt_2.gif, odkaz 16. 4. 2015. [7] Tyristor, http://www.bajty.info/2012/02/ minielektrikar-9-tyristor-triak.html, odkaz 16. 4. 2015. [8] Ing. Pavel Kobrle, Elektrick´e stroje, http://p.kobrle.sweb.cz/stroje/ ES.pdf, odkaz 16. 4. 2015.
8
