ELEKTRICKÁ TRAKCE 5. VOZIDLA S VÍCE ZPŮSOBY NAPÁJENÍ

Transkript

1 Obsah Doc. Ing. Jiří Danzer CSc. ELEKTRICKÁ TRAKCE 5. VOZIDLA S VÍCE ZPŮSOBY NAPÁJENÍ 2. vydání Obsah 1 Úvod Vozidla pro provoz na více napětích Vozidla pro stejnosměrné systémy Vozidla pro střídavé systémy Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Vozidla hybridní Pomocný pojezd a vozidla speciální Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Zdroje pro nezávislá vozidla Akumulátorová vozidla Vozidla se spalovacím motorem a elektrickým přenosem Vlastnosti spalovacího motoru Stejnosměrný elektrický přenos a jeho řízení Střídavý přenos a jeho řízení Trakční charakteristiky Literatura

2 1. Úvod 1 Úvod Kromě elektrických trakčních vozidel, která jsou určena pro napájení z jediného trolejového systému (napětí a kmitočtu) existuje řada vozidel, která mohou být napájena z více různých zdrojů. Tato vozidla pak musí kombinovat schémata, uvedená v předchozích dílech. Protože některý z napájecích zdrojů může být nezávislý na troleji, pojednáme v tomto díle také stručně o vlastnostech a základní problematice pohonu se spalovacím motorem a elektrickým přenosem. Terminologie a dělení těchto vozidel není zcela jednotné. Vozidla dvounapěťová mohou být napájena buď více stejnosměrnými nebo střídavými soustavami. Vozidla dvouproudová jsou vozidla, schopná provozu na alespoň jednom stejnosměrném a alespoň jednom střídavém systému. Někdy se tato vozidla nebo i předchozí skupina označují také jako vozidla vícesystémová. Vozidla, která mohou pracovat jako závislá i nezávislá se označují jako dvouzdrojová nebo hybridní. Možných kombinací je ovšem celá řada podle požadavků na jejich užití. Mimo to je třeba rozlišovat případy, kdy jednotlivé způsoby napájení jsou co do trakčních vlastností vozidel zhruba rovnocenné ("velký přechod") nebo se tyto vlastnosti zásadně liší (některý z nich slouží například jen pro posun samotného vozidla v depu, hale ap.). Nejprve se budeme zabývat prvním případem. Na rozdíl od předchozích dílů budou příklady konkrétního provedení vozidel uváděny kvůli lepší přehlednosti v závěru každé kapitoly. Samostatnou problematiku představuje řešení pomocných pohonů a napájení vlastní spotřeby, především u vozidel, která mají být provozována také na 3 kvss. Technicky efektivní řešení nabídla u nových vozidel teprve měničová technika. Jinak se tímto tématem budeme zabývat v dalším díle. -2-

3 2. Vozidla pro provoz na více napětích 2 Vozidla pro provoz na více napětích 2.1 Vozidla pro stejnosměrné systémy Nejběžnějším případem je provoz na dvou stejnosměrných napětích 1500Vss a 3000 Vss. Pokud jsou použity stejnosměrné motory a stupňové řízení napětí předřadnými odpory a odbuzováním nepředstavuje řešení principiálně zvláštní potíže. Například pro systém 3000 Vss lze vytvořit motorové skupiny ze sériového spojení dvou motorů s napětím 3000/2 V a pro systém 1500Vss motorové skupiny ze dvou stejných, paralelně zapojených motorů. Každý motor ovšem musí mít vlastní měnič směru a šentovací obvody a vhodným způsobem je třeba přepojit i rozjezdové (ev. brzdové) odpory. Trakční charakteristiky se pak prakticky nezmění, vozidlo bude mít 2 hospodárné stupně a příslušný počet stupňů šentovacích. Počet odporových stupňů závisí na spínacím programu odporových stykačů. Pro systém 1500 Vss je ovšem možno využít i čistě sériového spojení všech 4 motorů a tak získat další hospodárný stupeň, odpovídajícího jmenovitému napětí na motoru 1500/4=375 V. Velmi zjednodušené schéma vozidla se 4 motory je na Obr. 1. Ve vlastní realizaci ovšem významně naroste počet spínacích přístrojů (v Obr. 1 nejsou naznačeny). Obr. 1 Princip přepínání u dvounapěťového vozidla se stupňovým řízením (dvounap.dwg) Obr. 2 Možnost přepínání vozidla s asynchronními motory na dvě trolejová napětí (dvounap.dwg) Při použití cize buzených motorů je zapotřebí další regulovaný zdroj pro buzení. Při napájení z pulzních měničů nebo asynchronních motorů, napájených z napěťových střídačů je řešení blokově obdobné: bloky filtr-měnič-motor pro jmenovitá napětí 1500Vss (izolačně na 3 kv proti zemi) se řadí paralelně a na 3000 Vss do série na trolejové napětí. Principiální zapojení je odpovídá případům na Obr. 2. Při sériovém řazení je třeba hlídat potenciál středního bodu (schémata na obrázku nahoře) nebo použít asynchronních motorů s dvojitou hvězdou (na obrázku dole), kdy se napětí dělí působením magnetické vazby obou soustav statorových -3-

4 2. Vozidla pro provoz na více napětích vinutí hlavním magnetickým tokem (viz též 4. díl). Jinou možností pro vozidla s asynchronními motory je použít optimálního napětí meziobvodu (obyčejně mezi oběma sledovanými trolejovými napětími, V). Předřazeným vstupním pulzním měničem s možností práce ve snižovacím a případně i zvyšovacím režimu se napětí troleje upraví (a stabilizuje) na požadovanou hodnotu. Příklady jsou uvedeny dál u příležitosti vozidel více systémových. 2.2 Vozidla pro střídavé systémy Napájení střídavých vozidel z různých střídavých systémů se řeší přepínáním vinutí trakčních transformátorů tj. změnou převodu přepínáním počtu závitů. Přepínání je možno provádět na primárním nebo na sekundárním vinutí podle schématického Obr. 3 pro nejčastější případ soustav 25 kv, 50 Hz a 15 kv, 162/3 Hz v evropské železniční síti. Obr. 3 Přepínání transformátoru na primární a sekundární straně (trafo_pr.dwg) Pokud se při přepínání soustavy mění také kmitočet jako v naznačeném případě je pro průřez jádra, které zásadně ovlivňuje velikost transformátoru rozhodující poměr U/f (magnetický tok resp. sycení). Pro systém 25 kv, 50 Hz je na primáru roven 500, kdežto pro 15 kv, 162/3 Hz je významně větší, roven 900, takže pro velikost transformátoru jsou rozhodující poměry při provozu na síty 15 kv. Připomeňme hned, že také všechny druhy tlumivek pro kmitočet 162/3 Hz vychází výrazně větší (i když ne 3x podle jednoduché úvahy). Zapojení pro přepínání podle Obr. 3 ovšem naznačuje pouze princip, ve skutečnosti je zapojení vinutí podstatně složitější, protože kromě zajištění správného převodu je třeba mj. vhodně rozdělit vinutí v oknech tak, aby bylo při obou případech napájení pokud možno symetrické s ohledem na síly při zkratech, rozptylové indukčnosti a oteplení. Zároveň musí být vinutí pokud možno co nejlépe využité tak, aby typový výkon byl co nejmenší. Poměry lze nejsnáze objasnit na schématickém numerickém příkladě. Ve všech případech se předpokládá zdánlivý výkon 3000 kva, což odpovídá v ideálním případě vstupnímu proudu 120 A při 25 kv a 200 A při 15 kv a celkovému výstupnímu proudu 3000 A při 1000 V (hodnoty jsou zvoleny tak, aby odpovídaly typickým poměrům u traťové lokomotivy). Celkový typový výkon pro tři vybraná zapojení je pak roven součtu větších ze zdánlivých výkonů jednotlivých vinutí z obou případů. V případě podle Obr. 4a) je typový výkon horní části 10*120=1200 kva, dolní 15*200=3000 kva, takže typový výkon primárního vinutí je 4200 kva, tedy 1,4x větší než je skutečně využívaný. Zapojení podle Obr. 4b) bylo navrženo firmou Elin (Rakousko) a podobným rozborem lze snadno vypočíst, že celkový typový výkon primárních vinutí je 3400 kva což je jen 1,133x více než je výkon skutečně využívaný. Kromě toho je zde již naznačeno symetrické rozdělení vinutí na oba sloupky. Sekundární vinutí (nejsou znázorněna, protože jejich uspořádání není podstatné) jsou v obou případech využívána plně, na 3000 kva. -4-

5 2. Vozidla pro provoz na více napětích Obr. 4 Různé varianty přepínání vinutí transformátoru (trafo_pr.dwg) Příklad přepínání na sekundární straně je na Obr. 4c) a typový výkon sekundárních vinutí je 2*1,667*1500=5000 kva tj. typový výkon 1,67x větší než skutečný. Kromě toho musí být přepínána všechna sekundární vinutí (vč. vinutí pro vlastní spotřebu topení ev. dalších) a to na úrovni poměrně značných proudů, ovšem na vzduchu, kdežto přepínání na primáru se provádí obyčejně v nádobě transformátoru. Ve všech uvedených (velmi zjednodušených ) případech musí být jádro dimenzováno pro provoz na systému s kmitočtem 162/3 Hz. Přirozeně existuje řada řešení, podrobnosti však nebývají publikovány, neboť souvisejí již těsně s konstrukčním provedením těchto velmi speciálních strojů. Jako příklad dvounapěťové lokomotivy je na Obr. 6 principiální schéma lokomotivy pro OBB 1014 (Elin) pro přechod na ČD v Břeclavi mezi systémy 25 kv, 50 Hz a 15 kv, 162/3 Hz. Přepínání je jen naznačeno, skutečné zapojení odpovídá Obr. 4b). Parametry vinutí a jeho uspořádání na dvousloupkovém (jádrovém) transformátoru je na Obr. 5 opět poněkud zjednodušeně) [0]. Hlavní údaje lokomotivy: uspořádání Bo Bo, max. rychlost 170 km/h, trvalý výkon 3000 kw, hmotnost 64 t. Lokomotiva se vyznačuje originálním řešením v řadě směrů, zejména řízení využívá vzájemnou magnetickou vazbu sekundárních vinutí transformátoru pro zajištění přesazeného řízením paralelně zapojených pulzních usměrňovačů i při dvouhodnotovém řízení; proto není spínací kmitočet jednoznačně definován, pulzní usměrňovače pro napájení pomocných pohonů se speciálním řízením s vazbou na průběh trakčního proudu jsou využity pro potlačení vyšších harmonických v primárním proudu; pulzní usměrňovač pro trakci je osazen GTO tyristory a pracuje s kmitočtem asi 330 Hz (jeden měnič), kdežto (také přesazeně řízené) pomocné pulzní usměrňovače s IGBT s kmitočtem 2x6 khz kompenzují zvlnění v primárním proudu od činnosti trakčních měničů, důsledné maximální využití všech možností pro snížení rušení. Velmi podrobné informace o všech významných komponentách lze nalézt ve speciálním čísle Elin Zeitschrift [0], které je věnováno této lokomotivě. -5-

6 2. Vozidla pro provoz na více napětích Obr. 5 Parametry,zapojení a uspořádání vimutí dvounapěťového transformátoru lokomotivy 1014 (Elin) (elin.dwg) Na Obr. 6 je uvedeno principiální schéma trakčních obvodů i obvodů pomocných pohonů této dvounapěťové lokomotivy. Způsob přepínání systémů je zde pouze naznačen jak se často stává. Zařezení tlumivek do přívodů k trakčním motorům (jednu část lze překlenout) zřejmě souvisí s nutností zlepšit tvar fázového proudu při relativně nízkém nosném kmitočtu GTO trakčních střídačů. -6-

7 2. Vozidla pro provoz na více napětích Obr. 6 Principiální schéma trakčních obvodů lokomotivy 1014 OBB (Elin) (1014.bmp) -7-

8 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti 3 Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Tato vozidla budeme označovat jako dvouproudová ev. tří- nebo i čtyřproudová. Poslední jsou ale kombinací dvouproudového a dvounapěťového provedení, která již byla stručně popsána, takže se soustředíme na řešení vozidel dvouproudových. Tato vozidla mají v naší republice poměrně dlouhou tradici, protože podélné rozložení obou trakčních soustav v bývalé ČSR (ČSSR, ČSFR) si jejich intenzivní využívání vynutilo i ve vnitrostátním provozu. Základem pro návrh těchto vozidel je zpravidla stejnosměrná lokomotiva, které je pro provoz na střídavé soustavě předřazen transformátor a měnič, kterým může být podle okolností diodový, řízený nebo pulzní usměrňovač. Pro napětí meziobvodu je pak rozhodující napětí stejnosměrné soustavy nebo napětí motorů. V počátcích byl zkoušen i postup opačný, kdy je východiskem schéma lokomotivy střídavé a pro provoz na stejnosměrném systému je předřazen střídač. Tato konstrukce neměla při stavu techniky v té době naději na úspěch. V poslední době se tento postup znovu zkouší, ovšem za podstatně jiných poměrů (viz dále). Relativně jednoduché řešení pro vozidla s odporovým řízením a sériovými motory představuje předřazení transformátoru, diodového usměrňovače a vyhlazovací tlumivky standardní stejnosměrné lokomotivě, jejíž motory je nutno upravit pro provoz se zvlněným proudem. Toto řešení bylo použito např. u lokomotiv 350 (nyní ŽSR) pro systémy 3 kvss a 25 kv, 50 Hz a u lokomotiv 372 (ČD) resp. 182 (DB) pro systém 3 kvss a 15 kv, 162/3 Hz pro trať Děčín-Drážďany. Schéma stejnosměrné části bylo uvedeno ve skriptech Elektrická trakce I, díl 2 i s popisem funkce odporového řízení, brzdění a poruchové jízdy. Nyní pouze doplníme výkres se střídavou výzbrojí, vstupními obvody a přepínáním systémů (Obr. 7). Pro střídavou část jsou použity dva diodové můstky (s ohledem na závěrné napětí diod). Podobně je řešena i dvouproudová lokomotiva 363 (ČD) a odvozené typy s pulzními měniči a stejnosměrnými cize buzenými trakčními motory. Schéma vstupních obvodů a pomocných obvodů je na Obr. 8 schéma obvodu pulzních měničů a trakčních motorů na Obr. 9. Transformátor se dvěma v sérii zapojenými diodovými můstky představuje na střídavém systému zdroj napětí přibližně 3000 Vss pro napájení pulzních měničů. Na stejnosměrném systému je jeden z můstků využit jako oddělovací dioda. Pomocné pohony jsou napájeny z pomocné stejnosměrné sítě s napětím asi 440 Vss, která je vytvořena pulzním stabilizátorem ( Unipuls - primární měnič). Jednotlivé motory jsou napájeny samostatnými sekundárními pulzními měniči. Jejich obvod tedy není galvanicky oddělen od trakčního napětí. Pulzní měniče používají RCT tyristory se zhášecími obvody, dvě paralelní větve pracují s přesazeným řízením, celkové schéma odpovídá zapojení se zkříženými diodami, které bylo popsáno v 3. díle. Rekuperace není použita, jen odporová brzda. Brzdový odporník je chlazen ventilátorem, napájeným z odbočky odporníku. Způsob napájení budicích vinutí trakčních motorů odpovídá obr. 47 Elektrická trakce 3 - kapitola 3. Plynulá regulace cize buzeného motoru, kde byl popsán. V dalším se soustředím na vozidla s asynchronními trakčními motory, kterých existuje celá řada a následující výběr by měl poskytnout přehled typických nebo zajímavých řešení i některé projekty, navrhované pro ČD. -8-

9 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 7 Schéma vstupních obvodů lokomotivy 372 (76E) (80etr1.bmp) -9-

10 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 8 Vstupní obvody dvouproudové lokomotivy s pulzní regulací (69etr1.bmp)

11 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 9 Schéma obvodů měničů a trakčních motorů lokomotivy 363 (69E) (69emot.bmp) Jako první příklad je na Obr. 10 uvedeno zapojení trakčních obvodů dvousystémové lokomotivy SATS pro provoz na síti 25 kv, 50 Hz a 3 kvss [0]. Zapojení využívá dvou proudových střídačů (15), zapojených i s příslušnými trakčními motory (17) do série a je obdobou zapojení se stejnosměrnými motory ( se zkříženými diodami - spínače (18)). Pro vytvoření proudového zdroje jsou použity pulzní měniče (13), na střídavém systému je stejnosměrný meziobvod napájen polořízeným usměrňovacím můstkem (6). Zařízení (5) je filtr pro omezení rušení a zlepšení účiníku. Na ss systému lze brzdit do odporu (16) i rekuperací, na střídavém pouze do odporu (střídavá rekuperace není dovolena)

12 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Hlavní parametry lokomotivy: rozchod 1065 mm, hmotnost 92,5 t, trvalý výkon motorů 4000 kw, maximální rychlost 160 km/h, výkon EDB 2900 kw, dodalo konsorcium Siemens, SLM a další firmy, 29 ks, prototyp Obr. 10 Schéma dvouproudové lokomotivy SATS (sats.tif) Jako další uveďme schéma lokomotivy 1822 [0] (Obr. 11). Jedná se o dvousystémovou lokomotivu, určenou pro provoz mezi Německem, Rakouskem a Itálií pro systémy 15 kv, 162/3 Hz a 3 kvss. Jinak standardní uspořádání využívá pro střídače i pulzní usměrňovače tříbodové zapojení, což dovoluje na stejnosměrném systému přímé připojení meziobvodu na trolej. Napětí meziobvodu na stejnosměrném systému je V, na střídavém 3500 V. Pravděpodobně toto vysoké napětí vedlo k tomu, že tuto lokomotivu nelze považovat za příliš úspěšnou. Hlavní parametry lokomotivy hmotnost 82 t, maximální rychlost 140 km/h, trvalý výkon motorů 4400 kw v tahu i rekuperační brzdě na obou systémech, výkon odporové brzdy 1000 kw. Výroba ABB a SGP 5ks

13 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 11 Schéma dvousystémové lokomotivy 1822 (rh1822.bmp) Originální řešení představuje lokomotiva S252, postavená ve velké sérii firmou Siemens pro španělské dráhy. Principiální schéma trakčních obvodů je na Obr. 13 (pro polovinu lokomotivy) při provozu na stejnosměrném systému (3 kvss) a střídavém (25 kv, 50 Hz) [0]

14 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Na střídavém systému jsou 3 pulzní usměrňovače napájeny ze tří sekundárních vinutí a napájejí jeden meziobvod s napětím 2800 V. Z něho jsou napájeny dva střídače pro dva motory. Na stejnosměrném systému tvoří 4 větve pulzních usměrňovačů pulzní měniče, které s proměnnou střídou zapojují vstupní svorky měničů paralelně (na napětí 3000 V na měnič) a do série (1500 V na měnič). Tlumivky a kondenzátor meziobvodu vyhlazují napětí na vstupech měničů na požadovanou střední hodnotu 2800 V. Zapojení umožňuje odporové i rekuperační brzdění na obou systémech. Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 88 t, maximální rychlost 220 km/h, trvalý výkon motorů 5600 kw, výkon rekuperační brzdy 5600 kw, odporové 3300 kw. Vyrobilo konsorcium Siemens, ABB, Kraus Maffei, Thysen Henschel, CAF, MEINFESA, 75 ks od Funkci na stejnosměrném systému lze nejlépe pochopit ze zjednodušeného náhradního schématu na Obr. 12. Vedení proudu s odpovídajícím označením popisuje v jednotlivých režimech Tab. 1. Obr. 12 Zjednodušení schéma S252 na stejnosměrném systému (s252.dwg) Tab. 1 Způsob vedení S252 při jízdě a rekuperaci na stejnosměrném systému Po zapnutí Po vypnutí T1 Tah F - T1 - L1 - C2 - Z T2 T7 F - T2 - L3 - C2 - Z F - C1 - L2 - T7 - Z T8 T1 F - C1 - L4 - T8 - Z F - C1 - D3 - L1 - C2 - Z T2 T7 T8 Po zapnutí Rekuperace T3 Z - C2 - L1 - T3 - C1 - F T4 T5 C - C2 - L3 - T4 - C1 - F Z - C2 - T5 - L2 - C1 - F T6 T3 Z - C2 - T6 - L4 - C1 - F Z - C2 - L1 - D1 - F F - C1 - D4 - L3 - C2 - Z F - C1 - L2 - D5 - C2 - Z T4 T5 Z - C2 - L3 - D2 - F Z - D7 - L2 - C1 - F F - C1 - L4 - D6 - C2 - Z T6 Z - D8 - L4 - C1 - F Po vypnutí Je vidět, že při tahu jsou při zapnutí GTO T1, 2, 7, 8 meziobvody zapojeny na trolejové napětí do série, při vypnutí paralelně a při rekuperaci opačně. Řízením poměrné doby sepnutí a vypnutí lze pak nastavit střední hodnotu napětí meziobvodu na libovolnou hodnotu mezi polovinou a celým napětím troleje

15 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 13 Činnost obvodů S252 při práci na stejnosměrném a střídavém systému (s252a.bmp) Projekt třísystémové rychlé sedmivozové naklápěcí soupravy řady 680 ČD, elektrická část firmy Siemens, maximální rychlost na stejnosměrném systému 160 km/h, na střídavém 230 km/h, hmotnost (prázdná) 387 t, celkový výkon 8 motorů 4000 kw, výkon odporové brzdy 3800 kw, max. rozjezdová tažná síla 210 kn [0]

16 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 14 Funkce obvodů motorové jednotky 680 na střídavém systému (680_1.bmp) Obr. 15 Funkce obvodů motorové jednotky 680 na stejnosměrném systému (680_2.bmp) Principiální schéma trakčních obvodů při jízdě na střídavém systému je na Obr. 14. Transformátor (s přepínáním napětí pro oba střídavé systémy na sekundáru) napájí dva pulzní usměrňovače a z meziobvodu jednak střídač pro 4 paralelně zapojené asynchronní trakční motory (skříň měničů AC), jednak transformátor pomocných pohonů přes střídač. Tento střídač pracuje na kmitočtu 300 Hz a je tvořen součástmi pulzního měniče ve skříni měničů DC. Napětí meziobvodu je V, měniče jsou postaveny na GTO tyristorech. Schéma při jízdě na stejnosměrném systému je na Obr. 15. Dvakrát dva paralelně a sériově spojené pulzní měniče ve skříni měničů DC pro oba směry přenosu výkonu (4 střídačové

17 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti větve) připojené přes vstupní filtr na napětí troleje napájejí stejnosměrný meziobvod. Z něho je opět napájen jednak trakční střídač (skříň měničů AC), jednak jeden z pulzních usměrňovačů ve skříni měničů AC, který pracuje jako střídač napájející přes transformátor pomocné pohony. Pro porovnání je na Obr. 16 uvedeno projekční schéma dvouproudové verze elektrického motorového vozu 671 odvozeného ze stejnosměrného provedení 471 s asynchronními trakčními motory s vinutím do dvojité hvězdy, s měniči s IGBT. Na stejnosměrné straně pracují trakční střídače v sérii na děleném filtru, na střídavém jsou zapojeny paralelně na meziobvod s napětím 1500 V, který je vytvářen pulzními usměrňovači. Pomocné pohony jsou na obou systémech napájeny shodně z meziobvodů (jako na 471). Přepínání obou systémů je velmi jednoduché, odporová i rekuperační brzda je použitelná na obou systémech. Schéma lokomotivy E412 (výr. ABB) pro systémy 15 kv, 162/3 Hz, 3 kvss a 1,5 kvss pro přechod Švýcarsko - Itálie [0] je na Obr. 17 pro oba systémy. Pro střídavý systém je použito standardního zapojení se třemi sekundárními vinutími na transformátoru a pulzními usměrňovači, které jsou zapojeny paralelně. Pro stejnosměrný systém 3 kv je použito zapojení motorů s dvojitou hvězdou a střídači, zapojenými v sérii na dělený vstupní filtr. Protože se na střídavém systému využívá napětí meziobvodu 2800 V a na stejnosměrném 1500 V jsou parametry lokomotivy na jednotlivých systémech různé. Pro systém 1,5 kvss je meziobvod připojen přes filtr přímo na napětí troleje. Systém 15 kv 3 kv 1.5 kv Trolejové napětí Trvalý výkon trakčních motorů , , ,7 kv MW Rozsah využití výkonu km/h Skutečné zapojení trakčních obvodů E 412 je poměrně složité, vyžaduje mnoho kontaktních přístrojů a kabelů mezi motory a strojovnou, hmotnost 87 t, maximální rychlost 200 km/h, dodávky ABB pro FS 20 ks od

18 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 16 Projekční schéma dvouproudové verze elektrického motorového vozu 671 (671sil6a.dwg)

19 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 17 Principiální schéma lokomotivy E412 na střídavém a stejnosměrném systému (e412a.bmp) Principiální schéma trakčních obvodů poslední uvedené dvousystémové lokomotivy SYBIC, 25 kv, 50 Hz a 1,5 kvss SNCF [0] je na Obr. 18. Pro sdružený pohon náprav jednoho podvozku je použit synchronní motor s vinutím ve dvou izolovaných hvězdách, prostorově posunutých o 30, které jsou napájeny ze dvou proudových střídačů. Ty jsou zapojeny do série a jejich řízení je rovněž fázově posunuto. Střídače jsou komutovány indukovaným napětím motorů s výjimkou nejnižších rychlostí (asi do 18 km/h), kdy motory pracují s přerušovaným proudem. Motory jsou buzeny přes kroužky. Proudový zdroj tvoří pulzní měnič napájený buď přímo z troleje nebo z transformátoru přes polovičně řízené usměrňovací můstky. Řízená odporová brzda je v zapojení se zkříženými diodami. Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 90 t, maximální rychlost 200 km/h, trvalý výkon motorů 5600 kw (2x2800 kw)

20 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 18 Schéma lokomotivy SYBIC (sybic.bmp) Označení v obrázku: 1 sběrač, 2 střídavý hlavní vypínač, 3 přepojovač ss/st a stejnosměrný hlavní vypínač, 4 trakční transformátor, 5 vinutí vlakového topení, 6 trakční usměrňovač, 7 vstupní filtr, 8 pulzní měnič, 9 brzdový odporník (dělený), 10 střídač, 11 statorové vinutí trakčního motoru, 12 buzení trakčního motoru, 13 zařízení pro nucenou komutaci při nízkých rychlostech. Jako další příklady třísystémových lokomotiv uvedeme zjednodušené schéma třísystémové lokomotivy řady pro 25 kv, 50 Hz, 1,5 kvss a 3 kvss pro SNCF [0] Obr. 19, zjednodušené pak na Schéma s asynchronními trakčními motory individuálně napájenými ze střídačů se stálým napětím meziobvodu (asi 2400 až 2800 V-neuvedeno). Meziobvod je na střídavém systému napájen z pulzních usměrňovačů, které na stejnosměrných systémech pracují jako pulzní měniče tak, že podle potřeby zvyšují (na systému 1,5 kv) nebo snižují(na systému 3 kv) napětí troleje na konstantní napětí meziobvodu. Hlavní parametry lokomotivy: hmotnost 90 t, maximální rychlost 220 km/h, výkon na obvodu kol 6000 kw, výkon elektrické brzdy na obvodu kol 3000 kw. Zajímavé je také zapojení dvouproudové lokomotivy SNCF Prima firmy Alsthom [0] uvedené na Obr. 21. Při práci s trolejovým napětím 3 kvss funguje horní PU tom jako střídač a příslušný výkon se transformuje přes primár do dolního vinutí, a dolním PU se usměrňuje do meziobvodu, ze kterého jsou pak napájeny trakční střídače

21 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 19 Schéma lokomotivy pro 3 systémy (36000.bmp)

22 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 20 Zjednodušené schéma zapojení měničů lokomotivy (3600_3.dwg) Obr. 21 Zjednodušené schéma lokomotivy Prima (472prima.dwg) Nakonec uvedeme ještě návrh třísystémové lokomotivy Bo Bo (ŠKODA) pro ČD ř. 380, 25 kv, 50 Hz, 15 kv, 162/3 Hz, 3 kvss, maximální rychlost 200 (220) km/h s trvalým výkonem motorů 5000 kw (max kw) - Obr. 22. Podobně jako dvouproudový motorový vůz podle Obr. 16 využívá motorů s vinutím do dvojité hvězdy a standardních větví s IGBT s vodním chlazením

23 3. Vozidla pro provoz na stejnosměrné i střídavé síti Obr. 22 Projekční schéma třísystémové lokomotivy pro ČD (ŠKODA) (zpráva 109estft.doc)

24 4. Vozidla hybridní 4 Vozidla hybridní V této kapitole se budeme na několika příkladech zabývat vozidly, určenými pro provoz s napájením jednak z troleje, jednak z nezávislého zdroje (nikoli pouze popojíždění v depu ap.). Hranice mezi obojím uplatněním je ovšem značně neurčitá. S ohledem na potřebný výkon a akční rádius se jako nezávislý provozní zdroj uplatní nejčastěji spalovací motor s generátorem, i když ani pak zpravidla nedosahuje výkonu vozidla při provozu pod trolejí. Výjimku tvoří malé posunovací lokomotivy pro provoz z troleje a z akumulátorů. Ty pak je možno při jízdě pod trolejí i dobíjet. Nezávislý zdroj energie může být trvale zabudován ve vozidle nebo může být umístěn na odpojitelném voze. To je výhodné, pokud se provoz z tohoto zdroje předpokládá pouze občas nebo jen u jednotlivých lokomotiv podobného typu (a popřípadě pokaždé u jiného vozidla). Tato vozidla jsou určena především pro práci na nezatrolejovaných kolejích nebo kolejích s vypnutým napájením pro zajištění nutného provozu, bezpečnosti osob, hygienických předpisů, z důvodů konstrukčních aj. (vlečky, haly, skladištní koleje, montážní práce na troleji, práce v tunelu metra, práce pod násypkami v dolech ap.) Na Obr. 23 je jednoduchá průmyslová třínápravová dvouzdrojová lokomotiva [0] pro napájení ze sítě 15 kv, 162/3 Hz nebo 50 Hz. Proudový zdroj pro proudové střídače, které napájejí tři paralelně spojené asynchronní trakční motory vytváří pulzní měnič, sloužící i pro řízení odporové brzdy. Meziobvod s napětím 900 V vytváří jednak řízený usměrňovač, napájený z trakčního transformátoru (mění se pouze kmitočet napájecího napětí) nebo dieselagregát se stejným napětím. Hmotnost 60 t, maximální rychlost 50 km/h, trvalý výkon motorů při napájení z troleje 700 kw, při napájení z motorgenerátoru je pro trakci k dispozici pouze 70 kw. Výkon brzdy 700 kw. Lokomotiva je určena pro posun v průmyslové oblasti Poruří (elektrická část Siemens). Obr. 23 Dvouzdrojová lokomotiva RAG (rag.bmp) Dalším příkladem je lokomotiva C 38. Schéma trakčních obvodů [0] dvouzdrojové asynchronní lokomotivy pro napájení z troleje 3000 Vss nebo z motorgenerátoru (Siemens) pro univerzální použití je na Obr. 25. Výkon při napájení z troleje 1500 kw, z motorgenerátoru 600 kw, maximální rychlost 100 km/h, trvalá tažná síla 180 kn, hmotnost 74 t, brzda rekuperační 1500 kw a odporová 1000 kw. Napětí meziobvodu 2350 V, měniče GTO s přirozeným vzduchovým chlazením(!)

25 4. Vozidla hybridní Obr. 24 Schéma dvouzdrojové lokomotivy C 38 (C_38.bmp) Schéma trakčních obvodů dvouzdrojové lokomotivy (Siemens) [0] pro provoz ze stejnosměrné sítě 750V (třetí kolejnice) a z akumulátorů je na Obr. 25. Při jízdě pod trolejí jsou akumulátory dobíjeny z troleje přes pulzní měnič, který jinak slouží také pro řízení odporové brzdy. Hlavní parametry: uspořádání náprav Bo Bo, motory uloženy podélně, maximální rychlost 40 km/h, rozjezdová tažná síla 120 kn, hmotnost 36 t, maximální výkon motorů 300 kw, akumulátor 480 V, 460 Ah (5h). Lokomotiva je určena pro výstavbu a údržbu podzemní dráhy v Hamburku. Další vozidlo, které uvedeme, je dvouzdrojový trolejbus ŠKODA 21 Tr ACI s pomocným agregátem se spalovacím motorem a asynchronním generátorem [0]), Obr. 26, který je odvozen od standardního trolejbusu 21 Tr a dovoluje i s cestujícími překonávat úseky bez troleje např. při objíždění překážek. Obr. 25 Schéma dvouzdrojové posunovací lokomotivy pro metro (Al1.bmp) Hlavní parametry trolejbusu: trolejové napětí 750 Vss, max. 65 km/h, trvalý výkon motoru 156,5 kw, max. výkon při jízdě se spalovacím motorem 50 kw, hmotnost pomocného agregátu 540 kg

26 4. Vozidla hybridní Obr. 26 Schéma asynchronního trolejbusu s pomocným agregátem 21 Tr ACI (tr21.bmp) Jako příklad modulového řešení pohonu pro různé kombinace uvedeme ještě koncepci řešení prototypu šestivozové jednotky LIREX [0]. Základní stavební části je půlvlak, složený ze tří, provozně nedělitelných vozidel se 4 nápravami, z nichž 3 jsou hnané. Půlvlak může být vyzbrojen standardními stavebními díly buď jako střídavý (15 kv, 16 2/3 Hz), jako motorový nebo jako hybridní pro oba uvedené způsoby napájení. Blokové schéma pohonu je na Obr. 27, ovšem na konkrétní soupravě jsou instalována zařízení podle Tab. 2. Obr. 27 Blokové schéma výkonového obvodu LIREX (lirex.tif)

27 4. Vozidla hybridní Tab. 2 Trakční výzbroj pro jednotlivé varianty LIREX. Provedení (šestivozová souprava) Dieselagregátů (motor 338 kw, generátor 1310V, 322 kva) Trakčních transformátorů Trakčních motorů 190 kw, 1140 V, max ot/min., 480 kg Maximální rychlost při nezávislém provozu Maximální rychlost při provozu pod trolejí Diesel 4 Elektro Hybrid km/h 140 km/h 160 km/h km/h Zvláštností je návrh použití setrvačníkového akumulátoru energie (Obr. 28), který u variant se spalovacím motorem může uložit energii, generovanou při brzdění trakčními motory. Jeho parametry jsou: maximální výkon 300 kw, ot/min. maximální uložená energie 6 kwh.ta pak může sloužit například pro snížení hlučnosti při odjezdu z nádraží, pro zvýšení urychlení při rozjezdu, pro úspory paliva při požadavku na plný výkon spalovacího motoru, pro jízdu na (krátkých) úsecích, kde je třeba omezit zplodiny, pro napájení pomocných pohonů při odstaveném spalovacím motoru. Výkon motoru 190 kw, výkon dieselagregátu 338 kw, hmotnost 6 vozové jednotky se spalovacími motory 137 t. Obr. 28 Setrvačníkový akumulátor energie LIREX. (setrvac.tif)

28 5. Pomocný pojezd a vozidla speciální 5 Pomocný pojezd a vozidla speciální Na rozdíl od předešlých vozidel se u pomocného pojezdu zpravidla předpokládá jízda pouze samotného (neobsazeného) vozidla na krátké vzdálenosti, po rovině a malou rychlostí (zhruba krokem). Jako zdroj se používá nejčastěji vozidlová baterie nebo vnější zdroj, při čemž se však energie nepřivádí přes sběrač nýbrž kabelem. U vozidel se stejnosměrnými sériovými motory je obvodové řešení jednoduché: obyčejně je jeden z motorů je připojen přes odpojovače na vozidlovou baterii. Velikost tažné síly je dána maximálním proudem baterie (její Ah kapacitou), napětí baterie musí především překonat při tomto proudu úbytky napětí v obvodu včetně těch, které lze jinak zanedbat (kartáče, přechodové odpory, kabely atd.). Zatímco kapacitu baterie lze v případě nutnosti zvýšit, na její napětí je vázána celá slaboproudá výzbroj vozidla. Proto při malém napětí baterie (24 V, 48 V) jsou možnosti omezené. Dosažitelná rychlost je pak dána napětím, které zbyde po odečtením úbytků (jde o sériový motor) a jízdními odpory. Ty však po počáteční fázi jízdy ( utržení z klidu ) dosti podstatně poklesnou, takže kritickým okamžikem je právě rozjezd z klidu. Obr. 29 Pojezd z cizího zdroje při pohonu sériovým a asynchronním motorem (pomj.dwg) Podobně lze pojezd realizovat z cizího zdroje přes zásuvku na spodní části vozidla (např. ze svářecího agregátu), který je připojen zevně kabelem (Obr. 29 vlevo pro lokomotivu na 3 kvss). Pak jsou vlastnosti vozidla dány tímto zdrojem. Ve všech případech je nutno spolehlivě vyloučit připojení vozidla na trolej při pomocném pojezdu. Provedení pomocného pojezdu u vozidel s cize buzenými stejnosměrnými motory je obtížné resp. složité, protože je třeba mít dva zdroje, z toho alespoň jeden regulovatelný. U vozidel s asynchronními trakčními motory a napěťovými střídači je řešení opět principiálně jednoduché (předpokládají se součásti, jejichž vypínací schopnosti nejsou na napětí závislé). Pak se baterie nebo vnější stejnosměrný zdroj připojí na meziobvod a zařízení pracuje podobně jako při jízdě (Obr. 29 vpravo). Vzhledem k úbytkům ve střídači jsou požadavky na napětí zdroje větší než v předešlém případě. Na závěr uvedeme ještě Obr. 30, kde ukázáno komplexní řešení několika úkolů: při normální jízdě je pomocná stejnosměrná síť pro napájení pomocných pohonů napájena přes střídač, transformátor, usměrňovač a filtr,

29 5. Pomocný pojezd a vozidla speciální Obr. 30 Pomocný pojezd kombinovaný s napájením pomocných pohonů v depu (pomj.dwg) pro zkoušení pomocných pohonů a dobíjení baterie mimo trolej (v depu, dílnách, na odstavné koleji) lze stejnosměrnou pomocnou síť vytvořit třífázovým usměrňovačem z vnější standardní třífázové sítě 3x380 V, 50 Hz kabelem ze stojanu a stejným způsobem lze po připojení pomocné sítě k trakčnímu meziobvodu umožnit pojíždění na krátké vzdálenosti (vlastní řízení střídačů se od provozního prakticky neliší). Za speciální vozidla můžeme považovat vozidla, která jsou určena pro zvláštní účely nebo používají jiná technické řešení. Některá z nich byla uvedena v díle 1. Úvod v ETR I, především pro stavební a jiné práce. Sem patří též pojízdné stroje pro práce na svršku (podbíječky, čističe štěrkového lože), jeřáby, vozidla pro kontrolu a opravy trolejového vedení, pro kontrolu a měření geometrie koleje atd., které často mají vlastní pohon, většinou ovšem nezávislý. Naopak o závislém pohonu jednotlivých nákladních vozů se již uvažuje řadu let. Na tomto místě upozorníme na některé další příklady, z nichž některé již spadají spíše mimo oblast elektrické trakce, i když mohou mít některé rysy nebo technická řešení obdobná: Vozidla ozubnicové železnice, která se užívají pro překonání velkých sklonů (100 a více 0/00), kde se již nevystačí s přenosem tažné síly adhezí. Na úsecích s menšími sklony používají přenos sil adhezí. Mimořádná pozornost se musí přirozeně věnovat brzdění, někdy i elektrickému. Lanové dráhy s vozidly na kolejích, tažených lanem, užívané v podobných případech, ale pouze na jednoduché trati. Po elektrické stránce se jedná spíše o zdvihací zařízení nebo malý těžní stroj, který je ovšem stacionární. Visuté lanové dráhy jsou po stránce pohonu obdobné předchozímu případu, k trakci má ovšem poněkud blíže doprava osob v kabinách, zavěšených na jediném nosníku ( kolejnici ) - Monorail. Pohon může být i individuální. (Podobné dopravníky v malém se ovšem běžně používají v průmyslu i s automatickým řízením). Moderní variantou předešlého jsou vozidla, využívající pro nesení, vedení na dráze i pohyb magnetické pole. Jde o pohon neadhezní, umožňuje proto velká zrychlení i zpomalení. Řada více méně pokusných tratí je již delší dobu v provozu. Propojení měst Hamburk-Berlín se již připravuje. Elektromobily jsou již řadu let v centru pozornosti vývojářů na celém světě, ale nezdá se, že by tato vozidla mohla ve větším měřítku konkurovat vozidlům se spalovacím motorem. Po technické stránce je základní překážkou skutečnost, že zřejmě nelze postavit akumulátor elektrické energie (v obecném smyslu), který by se zásobou energie, cenou a hmotností mohl přiblížit nádrži s palivem. Poměrně blízko k železničním vozidlům mohou mít pohony velmi těžkých nákladních vozidel a stavebních strojů se spalovacím motorem a elektrickým přenosem. Liší se především celkovou konstrukcí, adhezními vlastnostmi, často pohonem na jednotlivá kola a pracovním prostředím, jinak jde o systém obdobný např. posunovacím motorovým lokomotivám a to i co do výkonu. Vozidla napájená přímo z třífázové troleje, podobně jako pojezd velkých jeřábů buď z třífázové troleje nebo odvíjeným a navíjeným kabelem. V tomto výčtu možností by bylo možno dlouho pokračovat, to však není naším cílem. Šlo jen o to ukázat hraniční oblasti, kde se elektrická trakce stýká s ostatními příbuznými obory

30 5. Pomocný pojezd a vozidla speciální

31 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel 6 Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Základní rozdíl mezi nezávislými a závislými vozidly spočívá v tom, že nezávislá vozidla si musí potřebnou energii vézt sebou a která je proto vždy omezená. Z toho plyne, že tato vozidla mají při stejné hmotnosti (a i jinak obdobném provedení) menší výkon (část hmotnosti představuje zásobník energie - akumulátory nebo palivo a vlastní zdroj elektřiny), mají omezený akční rádius (dojezd) resp. trakční práci (tkm) a proto je jejich řešení podřízeno především maximálnímu využití možností primárního zdroje. Nezávislý zdroj určuje hlavní parametry vozidla. 6.1 Zdroje pro nezávislá vozidla Jako zdroje pro kolejová vozidla přichází v úvahu především akumulátor a spalovací motor s generátorem, pro zvláštní účely (provoz v prostorách s nebezpečím výbuchu - doly, chemické závody ap.) také vozidla se zásobníkem stlačeného vzduchu nebo páry, označovaná také jako akumulátorová (ovšem bez elektrického přenosu). Další zdroje jsou buď již historií (parní stroj) nebo jim (snad) patří budoucnosti (plynová turbina, palivové články [0]). V současnosti se objevují řešení s akumulací energie v speciálních kondenzátorech (firemní označení superkapacitory, ultrakapacitory apod.), které se vyznačují mimořádnou kapacitou v tisících F, ovšem při napětí asi 2 V. Jejich využití v trakci je variantou resp. doplněním rekuperace, především u vozidel nezávislých, kde není rekuperace možná, ale i v mnoha dalších případech ([0], [0]). Dále se zmíníme pouze o vozidlech akumulátorových a vozidlech se spalovacím motorem a elektrickým přenosem výkonu. Pro základní porovnání může sloužit Tab. 3, udávající základní energetické a trakční charakteristiky vztaženo na 1000 kg hmotnosti zdroje energie (jedná se o řádové výpočty). U soustrojí spalovací motor-generátor je třeba vzít v úvahu hmotnost soustrojí+hmotnost paliva. Pro výpočet byly použity přibližné vztahy: zásoba paliva [kg]=2,5*výkon spalovacího motoru [kw] a měrná hmotnost soustrojí pro moderní konstrukce 600 W/kg. Pro akumulátory byly použity parametry nikl-kadmiových akumulátorů Ferak Raškovice, které jsou na ČD používány (pro napájení řízení, osvětlení atd.), podle firemních podkladů. Odtud je vidět, že pro standardní provoz na vlacích přichází v úvahu jako zdroj energie pouze nafta a spalovací motor. Pouze tam, kde je na závadu hluk, exhalace, nebezpečí znečištění naftovými produkty ap. (v budovách, čistých provozech, tunelech) se používají akumulátorová vozidla

32 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Tab. 3 Porovnání zdrojů pro nezávislá vozidla Zdroj Hmotnost zařízení Hmotnost paliva Využitelná energie (v elektrické formě) Spalovací motor 400 (motor 240kW) 600 Akumulátor 1000 (NiCd) (250g/kWh) 20 kwh 80 12,8 20 6,4 km/h Wh/tkm tkm t km Předpokládaná rychlost vozidla Měrná spotřeba pro jízdu na rovině bez rozjezdů Trakční práce pro jednu náplň/nabití Předpokládaná hmotnost soupravy Dojezd při jízdě předpokládanou rychlostí kg kg 6.2 Akumulátorová vozidla Akumulátor jako nezávislý zdroj pro trakci zajišťuje čistý a tichý provoz s možností rekuperace (která je z důvodů prodloužení dojezdu velmi cenná), avšak velká hmotnost baterií zásadně omezuje jejich výkonnost a dojezd. Počet cyklů nabití/vybití významně omezuje dobu života akumulátorů, při čemž se stárnutím a při poklesu teploty se značně snižuje kapacita baterie. Intenzivní vývojové práce, související s elektromobily (a ovšem se speciální vojenskou a kosmickou technikou) zatím nepřinesly zásadní průlom v tomto směru resp. jen při nákladech a dalších okolnostech, které jejich použití v dopravě omezují. Schéma zapojení trakčních obvodů odpovídá podle použitých trakčních motorů zapojením popsaným u vozidel závislých. S ohledem na maximální využití energie v akumulátorech se volí co nejúspornější schéma, často stejnosměrný motor s pulzní regulací. Větší počet spínacích přístrojů při tom nemusí být na závadu, nejedná se obyčejně o velká napětí a proudy. Akumulátor je jako zdroj téměř ideální, při návrhu je však třeba počítat s tím, že jeho napětí nelze vypnout, pouze lze některé části obvodu odepnout. Pro práci na baterii je proto třeba vhodným přístrojem rozpojit baterii na takové části, aby jejich napětí nepřekročila hodnotu napětí bezpečného z hlediska doteku (práce pod napětím při údržbě, dolévání vody, kontrole elektrolytu a vývodů ap.). Napětí baterie se obyčejně volí (podle výkonu) okolo 440V. Z trakční baterie se také napájejí nezbytné pomocné pohony (kompresor, ev. další). Vozidla mají zpravidla také nabíjecí zařízení. Nabíjí se buď ze standardní třífázové sítě nabíječem, u větších vozidel zpravidla umístěným na vozidle jako jeho součást. Nabíjení se pak provádí při stání u příslušných stojanů s vývody. Pokud se lokomotiva provozuje alespoň po určitou dobu pod trolejí je možno baterii nabíjet z troleje přes sběrač a potřebné zařízení. Tím se ušetří zařízení v kolejišti a doba pro zajíždění k nabití. Nabíjení lze provést v přestávkách provozu. Zařízení vozidla je složitější, může ale umožňovat i závislý provoz tj. jízdu při napájení z troleje a (současném) nabíjení. Jako příklad uvedeme akumulátorovou posunovací lokomotivu ČKD typ A [0]. Schéma trakčních obvodů je na Obr. 31. Její hlavní parametry jsou: uspořádání náprav Bo, hmotnost 40 t, maximální rychlost 60 km/h, kapacita trakční baterie 192 kwh, výkon při jízdě 165 kw, při brzdě 415 kw, max. tažná síla 71 kn, nabíjení ze sítě 3x380 V, 63 A. Lokomotiva je poháněna dvěma sériovými komutátorovými trakčními motory přes pulzní měnič v zapojení se zkříženými diodami, tyristorovým šentováním, rekuperací do trakční baterie a odporovou brzdou. Na Obr. 32 je diagram výkonů a ztrát, naměřený při posunu na posunovacím nádraží Vídeň

33 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Kledering, který poskytuje velmi dobrý přehled o možnostech lokomotivy mj. také s ohledem na provozní využití: Nabíjení 3,3 hod., doba provozu 6,3 hod., ujetá dráha 18 km, v reálném provozu. Energie v baterii odpovídá asi 100 kg paliva (nafty). Obr. 31 Zjednodušené schéma trakčních obvodů lokomotivy A (aku_sch.bmp ) Označení v Obr. 31: GB..trakční baterie, LF1..tlumivka filtru, CF1..kondenzátor filtru, RB1..brzdový odpor, VS3..tyristor pro řízení brzdy, VD1..dioda, MT1, 2..trakční motory, KM10..trakční stykače, KM měnič směru, KM51..stykač nabíjení, LV2..vyhlazovací tlumivka nabíječe, GU50..usměrňovač nabíječe, LV1..vyhlazovací tlumivka, VD2..dioda, VD0..zpětná dioda, RS..šentovací odporník, VS1 hlavní tyristor, VS2..šentovací tyristor

34 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Obr. 32 Energetická bilance lokomotivy A při předváděcí jízdě na posunu ve stanici VídeňKledering (aku_energ.bmp) 6.3 Vozidla se spalovacím motorem a elektrickým přenosem Motorové trakci se budeme věnovat jen povšechně a tak, aby zřetelně vynikly rozdílné požadavky na elektrickou trakční výzbroj s ohledem na vlastnosti spalovacího motoru a z toho plynoucí vlastnosti vozidel. Proto se v nejstručnější formě zmíníme o základních vztazích, které souvisejí s prací spalovacího motoru. Podrobný výklad ve vztahu k vozidlům lze nalézt např. v [0]. Podobně budeme alespoň rámcově sledovat základní způsoby řízení a regulace soustrojí spalovací motor - generátor, neboť bezprostředně souvisí i s činností a řízením trakčních motorů (např. šentování) a vlastnostmi vozidla jako celku Vlastnosti spalovacího motoru Mechanický výkon se v motoru získává spalováním paliva, smíšeného se vzduchem ve válcích motoru. Palivo se mísí se vzduchem buď mimo válec v karburátoru (zážehové benzinové motory - směs se nasává nebo se palivo vstřikuje přímo do válce a ve vhodný okamžik se zapaluje elektrickou jiskrou), nebo se nasává pouze vzduch, který se při kompresi ohřeje na takovou teplotu, že zapálí palivo, které se do válce ve vhodný okamžik vstříkne (vznětové - naftové, dieselové motory). Pro velké výkony a když záleží na hospodárnosti a dlouhodobé spolehlivosti provozu se dává přednost motorům vznětovým. Podle toho, zda se palivo dodává do válce v každé otáčce motoru nebo při každé druhé otáčce se rozeznávají motory dvoutaktní nebo čtyřtaktní. Je zřejmé, že výkon dvoutaktního motoru je při stejném obsahu teoreticky dvojnásobný, jeho využití paliva a tedy i měrná spotřeba je však vyšší a účinnost nižší než u motorů čtyřtaktních. Velikost spalovacího motoru daného výkonu (podobně jako u elektrických motorů) závisí na otáčivé rychlosti. Motory pomaluběžnější jsou sice těžší, ale mají delší životnost. Protože u trakčních vozidel převažují požadavky na spolehlivost a nízkou spotřebu setkáváme se u nich nejčastěji se vznětovými čtyřtaktními spalovacími středněotáčkovými motory. Děje při přeměně chemické energie v mechanickou ve válci spalovacího motoru popisuje indikátorový diagram (Obr. 33 a), jako závislost tlaku ve válci na pohybu pístu. Obr. 33 Indikátorový diagram čtyřdobého nepřeplňovaného spalovacího motoru (indik.dwg) Jednotlivé fáze jsou v Obr. 33a) popsány. Pro určení momentu motoru se určí nejprve střední indikovaný tlak podle Obr. 33 b) pomocí integrace tlaku v závislosti na poloze pístu v průběhu celého cyklu. Rozdíl integrálu tlaku při sání a výfuku závisí na tlakových ztrátách v nasávacím a výfukovém potrubí (předpokládáme zatím motor nepřeplňovaný), je malý (a

35 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel záporný). Rozdíl mezi tlakem při kompresi a expanzi je dán spálením paliva a je rozhodující (kladnou) částí středního indukovaného tlaku. Střední tlak tedy závisí v první řadě na množství dodaného paliva (a na řadě dalších okolností, které je třeba hledat v literatuře). Střední síla F1 je dána středním indikovaným tlakem pis působící na ploše S a je tedy r. 1 F1 = S pis [N, m 2, Pa ] Práce, vykonaná v průběhu jednoho zdvihu o délce je pak r. 2 W1 = F1 = S pis [Ws, m, m 2, Pa] Při otáčivé rychlosti n a počtu válců i je pak zřejmě teoretický výkon pro čtyřdobý motor r. 3 P = i W1 1 n p n V p n = ( i S ) is = z is [W, m3, ot / min. ] kde Vz = i S je zdvihový objem motoru. Vzorec r. 3 nebere v úvahu řadu ztrát, takže skutečný výkon motoru na hřídeli bude menší, my se však spokojíme s konstatováním, že výkon motoru je závislý na zdvihovém objemu, který je dán konstrukcí motoru, na středním indikovaném tlaku, který je závislý především na množství paliva a na otáčivé rychlosti motoru. Výkon spalovacího motoru se udává pro nejvyšší provozní otáčivou rychlost a tomu odpovídající množství paliva. Moment motoru je zřejmě (se stejnými výhradami jako k r. 3) r. 4 M= P 30 P 1 = = Vz pis ω π n 4π Moment daného spalovacího motoru je tedy v prvé řadě závislý na množství dodávaného paliva. To je ovšem omezeno množstvím nasátého vzduchu, potřebného pro jeho spálení (ve skutečnosti ho musí být určitý přebytek) a proto moment (a výkon) motoru lze zvýšit tím, že se vzduch do válců nesaje, nýbrž vhání turbodmychadlem - hovoříme pak o motorech přeplňovaných. Jejich střední indikovaný tlak a tedy i moment je při stejném zdvihovém objemu větší, např. 1,5...2x. Řídicí veličinou spalovacího motoru je tedy množství paliva, které se zpravidla řídí palivovou pákou s vhodným servopohonem. Otáčivá rychlost pak závisí na zátěži. Otáčivá rychlost je omezena jednak jmenovitou otáčivou rychlostí (=nejvyšší provozní otáčivá rychlost), jednak otáčivou rychlostí při volnoběhu, při níž moment motoru (přiváděné palivo) stačí právě na krytí ztrát v motoru a zajistí ještě jeho plynulý chod. Poměr jmenovité a volnoběžné otáčivé rychlosti bývá asi 1:0,4. Řada dalších provozních omezení souvisí především s teplotou resp. chlazením a mazáním

36 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel Obr. 34 Charakteristika ("vajíčkový diagram") spalovacího motoru (vajicko.bmp) Úplná charakteristika spalovacího motoru udává závislost středního indikovaného tlaku (odpovídá momentu) na otáčivé rychlosti s tím, že nulovému momentu odpovídá množství paliva při volnoběhu. Čáry stálého výkonu jsou proto rovnoosé hyperboly. Do charakteristik se zakreslují také další informace, především o omezení provozních režimů a čáry stálé měrné spotřeby paliva v g/kwh, které mají tvar soustavy oválů, v jejichž středu je bod optimálního režimu z hlediska účinnosti. Příklad charakteristik a omezení je na Obr. 34. Jednotlivá omezení představují: λ omezení množstvím (přebytkem) vzduchu, pumpovní mez - rozumí se turbodmychadla, pmax odpovídá maximálnímu tlaku ve válcích, ntp maximálním otáčkám turbodmychadla a čárkovaná čára mezi kouřivosti. Nejjednodušší způsob řízení a zároveň základní článek všech složitějších způsobů je regulace otáček podle schematického diagramu na Obr. 35. Pokud je zadání otáčivé rychlosti konstantní, musí to být pro využití jmenovitého výkonu spalovacího motoru otáčivá rychlost jmenovitá (=maximální provozní). Obr. 35 Schéma otáčkové regulace spalovacího motoru (de_riz.dwg) Pracovní bod se pak v poli charakteristik pohybuje po přímce podle schématického Obr. 36, zřejmě daleko od optimálních režimů. Pro vozidla se nehodí, používá se například na

37 6. Elektrický přenos výkonu u nezávislých vozidel soustrojích s alternátorem, která slouží jako mobilní zdroj nejčastěji 3x380 V, aby bylo dosaženo požadovaného a (přibližně) stálého kmitočtu. Tento požadavek se na vozidle může vyskytnout např. při napájení topení vlaku napětím o konstantním kmitočtu, např. 162/3 Hz. Na moderních vozidlech se tento požadavek řeší jednofázovým střídačem, napájeným z meziobvodu. Obr. 36 Pracovní oblast spalovacího motoru při stálých (jmenovitých ) otáčkách (de_sch2) Vlastnosti spalovacího motoru tak jak byly stručně popsány nejsou vhodné pro přímý pohon náprav (jako například motory elektrické), protože nemohou pracovat (dávat moment) od nulové rychlosti, nýbrž pouze v omezeném rozsahu a prakticky nejsou přetížitelné. Proto je nutno vložit mezi spalovací motor a nápravy zařízení, které dodá vozidlu potřebné vlastnosti a při tom optimálně využije možnosti spalovacího motoru. Pro přehled uvedeme jen jejich hlavní druhy, základní charakteristiky a typické použití. Mechanická vícestupňová převodovka se spojkou je obdobou automobilového provedení. Přenos se vyznačuje dobrou účinností, otáčky motoru v rámci jednoho převodového stupně jsou přímo úměrné rychlosti vozidla, jmenovité otáčky spalovacího motoru a tedy i výkon nemůže být plně využit (jeho využití závisí na počtu převodových stupňů), při řazení dochází k poklesu momentu. Zařízení motoru, spojky, převodovky a nápravy jsou konstrukčně přímo vázána. Používají se především pro vozidla menších výkonů, kde lze využít komponent ze silničních vozidel. Hydrodynamická převodovka v kombinaci s převodovkou mechanickou (viz např. [0]). Předností tohoto řešení je plynulý přechod mezi jednotlivými stupni, jsou lehčí a mají méně opotřebujících se dílů. Používají s hojně pro vozidla menších i středních výkonů. Elektrický přenos umožňuje splnit všechny požadavky vzhledem k trakčním vlastnostem i vzhledem k požadavkům spalovacího motoru, ovšem za cenu nižší účinnosti (dvojí přeměna energie). Uvolňuje ale konstrukční vazbu mezi spalovacím motorem s generátorem a trakčním motorem na nápravě. Používá se pro vozidla od středních výkonů výše a pouze jím se budeme v dalším zabývat. Kromě uvedených základních typů existuje i řada dalších kombinací, z nichž některé byly již zmíněny v kapitole o vozidlech hybridních. Podle Obr. 34 lze určitý (potřebný, požadovaný) výkon (=hyperbola v Obr. 34) dosáhnout pro různé dvojice hodnot palivo-otáčky, které se ale liší velikostí spotřeby. Pro každou hodnotu výkonu existují optimální otáčky s minimální možnou spotřebou. Při elektrickém přenosu výkonu, kdy otáčky spalovacího a trakčního motoru nejsou navzájem vázány to umožňuje spotřebu minimalizovat. Je ovšem třeba poznamenat, že měrná spotřeba je závislá na mnoha dalších okolnostech (teplota, tlak a vlhkost vzduchu atd.), které v provozních poměrech nelze obyčejně zohlednit Stejnosměrný elektrický přenos a jeho řízení Elektrický přenos, lépe řečeno celé trakční soustrojí, protože výsledné vlastnosti závisí významně také na vlastnostech a způsobu řízení spalovacího motoru má splnit při zadaných trakčních požadavcích dva zásadní úkoly