ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ 1976
S e r i a * ELEKTRYKA z . 54- k o l . 490
Wiesław GABRYŚ , A n d rz e j LESZCZYŃSKI
f i l & ó : #/V<3 : Bo5~: 0 / 2 $ *
MOŻLIWOŚCI REALIZACJI W KRAJU PRZETWORNIC DO UKŁADU CENTRALNEGO ZASILANIA WAGONÓW OSOBOWYCH NA DUŻE PRĘDKOŚCI
S t r e s z c z e n i e . W a r t y k u l e rozważono m ożliwość r e a l i z a c j i p r o t o t y p o wego u k ła d u p r z e t w o r n i c y m aszynow ej, o mocy w y jś c io w e j ok. 25 kW, w o p a r o i u o produkowane w k r a j u maszyny.
Podano k o n c e p c j ę i m o ż l i w o ś c i r e a l i z a c j i u k ła d u c e n t r a l n e g o za
s i l a n i a wagonów z za sto so w a n iem p r z e t w o r n i c y s t a t y c z n e j .
1 . Wstęp
W wagonach osobowych na duże p r ę d k o ś c i , o z a p o tr z e b o w a n iu mocy o k o ło 25 kW, n i e może być sto s o w a n y t r a d y o y j n y s y s t e m z a s i l a n i a w e n e r g i ę e l e k t r y c z n ą z p r ą d n i c ą n a p ę d z a n ą od o s i wagonu [ < ] •
Z p r z e g l ą d u r o z w i ą z a ń z a g r a n i c z n y c h układów c e n t r a l n e g o z a s i l a n i a wa
gonów w y n ik a , że s to s o w a n e s ą r o z w i ą z a n i a z p r z e t w o r n i c a m i maszynowymi i s t a t y c z n y m i . W a r t y k u l e omówiono z a l e t y i wady t y c h r o z w i ą z a ń . Trudno j e d n a k o b e c n ie mówić o wyraźnym p r i o r y t e c i e je d n y c h czy d r u g i c h r o z w ią z a ń . P o n i ż e j p r z e d s t a w i o n o m o ż liw o ś c i r e a l i z a o j i w k r a j u , in d y w id u la n y c h p r z e t w ó r n i o maszynowych i s t a t y c z n y c h , do u k ła d u c e n t r a l n e g o z a s i l a n i a wa
gonów osobowych na duże p r ę d k o ś c i .
2 . M o ż liw o ś c i r e a l i z a c j i p r o t o t y p o w e j p r z e t w o r n i c y e l e k t r o m a s z y n o w e j , do u k ła d u c e n t r a l n e g o z a s i l a n i a wagonów, na b a z i e produkowanych w k r a j u mas zyn
Na p o d s ta w ie uzyskanyc h i n f o r m a c j i w k i l k u z a k ł a d a c h p r z e m y s łu e l e k t r o maszynowego ("C e lm a ", "D o lm e l" , "Wamel", "Kornel", "E lm o r" ) wytypowano k i l k a maszyn e l e k t r y c z n y c h , na b a z i e k t ó r y c h można p o d ją ć p ró b y s k o n s t ru o w a
n i a p r z e t w o r n i c y e le k tr o m a s z y n o w e j o wymaganej mocy ( z a k ł a d a s i ę moc od
b i o r n i k ó w wagonowych o k o ło 25 kW).
P o n i ż e j p r z e d s t a w i o n o dane znamionowe t y c h maszyn o r a z m o ż liw o ś c i wy
k o r z y s t a n i a i c h do budowy p r z e t w o r n i c y ,
a ) p r ą d n i c a s y n c h o r n i c z n a w wykonaniu morskim ty p u GCPd 84a moc znamionowa 27 kVA
p r ę d k o ś ć o brotow a 1500 o b r /m in o z ę s t o t l i w o ś ć 50 Hz
n a p i ę c i e 4 0 0/231 V p r ą d 39 A
w s p ó ł c z y n n i k mocy 0 , 8
16 Wiesław G a b ry ś . A ndrzej L e s z c z y ń s k i
spraw ność 0 , 8 5
wzbudzenie 85 V} 4 , 8 A masa 385 kg
J e s t t o p r ą d n i c a t r ó j f a z o w a p r z e z n a c z o n a do p r a c y w z e s p o ł a c h p r ą d o tw ó r czych in s t a lo w a n y c h na s t a t k a c h . Moc czynna p r ą d n i c y p rz y c o s ip = 0 , 8 wy
n o s i 2 1 , 6 kW. N apę dza jąc p r ą d n i c ę z p r ę d k o ś c i ą 18C0 o o r / m i n ( f = 60 Hz) uzyskamy w z r o s t mocy o o koło 17%, a więc moc w y n ie s ie 3 1 , 6 kVA, co odpo
wiada mocy c z y n n e j 2 5 , 3 kW p r z y cos = 0 , 8 , Napęd t e j p r ą d n i c y można z r e a l i z o w a ć p r z y pomocy s i l n i k a p r z e t w o r n i c y t r a k c y j n e j LKPa—423 produk
c j i "D olm elu".
b ) s i l n i k p r z e t w o r n i c y t r a k c y j n e j t y p u LKPa-423 moc p o b i e r a n a 51 kW
n a p i ę c i e 3000 V p r ą d 17 A
p r ę d k o ś ć obroto w a 1950 o b r /m in wzbudzenie obce 110 V
Moc te g o s i l n i k a na z a c i s k a c h p r z y o b n i ż o n e j p r ę d k o ś c i w y n ie s ie w p r z y b l i ż e n i u :
39 kW p r z y 1500 o b r /m in 47 kw p r z y 1800 o b r / m i n .
Można t u rozważyć w y k o r z y s ta n ie s i l n i k a o r y g i n a l n e g o l u b t e ż p r z e k o n s t r u owanego w s e n s i e s k r ó c e n i a d ł u g o ś c i ż e l a z a czynnego i odpowiedniego p r z e - z w o j e n i a .
c ) p r ą d n i c a in d u k to ro w a t y p u G A 0-300/10/300/Sp p r o d u k c j i Zakładów " D o l- mel"
moc 30 kVA
n a p i ę c i e 3 0 0 /4 0 0/V p r ą d 58 A
c z ę s t o t l i w o ś ć 500 Hz w s p ó łc z y n n ik mocy 0 , 8
p rę d k o ś ć obroto wa 3000 o b r/m in wzbudzenie w łasne 90 V; 7 , 5 A masa 480 kg
J e s t t o p r ą d n i c a sto s o w a n a ja k o podwzbudnica do g e n e r a to r ó w s y n c h r o n i c z nych 63 i 200 MVA.
W obecnym wykonaniu d o l n a c z ę ś ć k a d ł u b a p r ą d n i c y tw orzy r o d z a j s t o j a k a . P rz y a d a p t a c j i do celów t r a k c y j n y c h można by o b c i ą ć d o l n ą c z ę ś ć k a d ł u b a , co z m n ie j s z y ło b y masę o o koło 80 k g . K oniec zna j e s t r ó w n ie ż ze względów e k s p l o a t a c y j n y c h zmiana ł o ż y s k śliz g o w y c h na t o c z n e .
P o w a ż n ie js z e k o m p li k a c je k o n s t r u k c y j n e s t w a r z a z a b e z p i e c z e n i e napędu o p r ę d k o ś c i o b ro to w e j 3000 o b r / m i n . S i l n i k p r ą d u s t a ł e g o o mocy ok. 50 kW p r z y p r ę d k o ś c i 3000 o b r /m in i n a p i ę c i u 3000 V n i e d a j e g w a r a c j i wymaganej
M o ż liw o ści r e a l i z a c j i w k r a j u p r z e t w o r n i c . . . 17
w t r a k c j i ż y w o tn o ś c i i n ie z a w o d n o ś c i ruchow ej« N a le ż a ło b y t u rozważyć wy
d ł u ż e n i e ż e l a z a czynnego p r ą d n i c y w s t o s u n k u 3 /2 i z m n i e j s z e n i e p r ę d k o ś c i do 2000 o b r / m i n . Osobnym problemem, wynik ającym z a d a p t a c j i p r ą d n i c sy n c h r o n i c z n y c h , j e s t u z y s k a n ie dwóch n a p i ę ć wyjściowych n p . 220 V i 24 V p r ą d u s t a ł e g o . W tym c e l u w p r ą d n i c y n a l e ż a ł o b y p r z e w i d z i e ć dwa odrębne u z w o je n ia t w o r n i k a l u b w s p ó łp r a c ę p r ą d n i c y z t r a n s f o r m a t o r e m t r ó j u z w o j e - niowym. N a p i ę c i e po s t r o n i e w t ó r n e j b y ło b y p r o s t o w a n e . K o r z y s t n i e j s z e t u j e s t o c z y w iś c ie p ie r w s z e r o z w i ą z a n i e ( n i ż s z y k o s z t , m n i e j s z a masa i g aba
r y t y ) .
d ) p r z e t w o r n i c e t r a k c y j n e p r ą d u s t a ł e g o t y p u LKPd-d330 p r o d u k c j i Zakładów
"Dolm el"
moc p o b i e r a n a s i l n i k a 1 6 , 2 kW n a p i ę c i e s i l n i k a 3000 V p r ą d s i l n i k a 5 , 4 A
moc oddawana p r ą d n i c y 10 kW n a p i ę c i e p r ą d n i c y 110 V p r ą d p r ą d n i c y 91 A
p r ę d k o ś ć obrotow a p r ą d n i c y 1390 o b r /m in
maksymalna p r ę d k o ś ć o brotow a w e k s p l o a t a c j i 2250 o b r/m in spraw ność 0 ,6 1 7
masa 1320 k g .
P r z y j m u j ą c , że o b ie maszyny p r z e t w o r n i c y m ają w p r z y b l i ż e n i u t a k ą samą sp r a w n o ść : i? = Yo»517' = 0 , 7 8 , możemy o k r e ś l i ć moc na wale s i l n i k a p r z y p r ę d k o ś c i znamionowej:
PN = 1 6 , 2 . 0 , 7 8 = 1 2 , 6 kW.
s
Po odpowiednim p r z e z w o j e n i u t w o r n i k a , p r z y p r ę d k o ś c i e k s p l o a t a c y j n e j pod
w yższonej do 1800 o b r / m i n otrzymamy:
PN = 1 2 ’ 6 * W = 16 ’ 3 kW*
s max
O sad z ając dwa t a k i e t w o r n i k i na wspólnym wale można zbudować s i l n i k dwu- twornikowy o mocy ok. 3 2 , 5 kW na w a l e . Byłby t o s i l n i k p r z y d a t n y do n apę
du p r ą d n i c y s y n c h r o n i c z n e j w wagonach p rz e z n a c z o n y c h do r u c h u m ię d zy n a ro dowego. P r z y n a p i ę c i u 3000 V t w o r n i k i b y ły b y ł ą c z o n e w s z e r e g , a p rz y 1500 V r ó w n o l e g l e ( p a t r z r o z w i ą z a n i e f-my Krupp [1] ) .
3. Ogólna konceno.ia u k ła d u c e n t r a l n e g o z a s i l a n i a wagonów z p r z e t w o r n i c a s t a t y c z n a
J e d n o l i t a , k r a jo w a s i e ć t r a k c y j n a 3000 V p r ą d u s t a ł e g o pozwala na z a -
18 Wiesław G a b r y ś , A ndrzej L e s z c z y ń s k i
s t o s o w a n i e sto sunkowo n ie skom plikow a nego u k ła d u p r z e t w o r n i c y s t a t y c z n e j . Na r y s u n k u 1 p r z e d s t a w i o n o k o n c e p c j ę p r z e t w o r n i c y s t a t y c z n e j , z a s i l a j ą c e j s i e ć wagonową odbiorów w i ę k s z e j mocy, n a p i ę c ie m .5x380/220 Vj 50 Hz, Podstawowymi z e s p o ła m i u- k ł a d u sąs
1 - f i l t r w e jś c io w y , 2 - f a - lo w n ik WN, 3 - t r a n s f o r m a t o r o b n i ż a j ą c y , 4 , 6 - p ro s t o w n i k i NU, 5 - s i e ć 2 2 0 ^ 500 Hz, 7 , 8 - f i l t r y NN, 9 - s i e ć i o d b i o r y 24 V p r ą d u s t a ł e g o , 10 - b a t e r i a a k um ulatorów , 11 - f a lo w n i k t r ó j f a z o w y NN, 12 - t r a n s f o r m a t o r t r ó j f a z o w y NN, 13 - s i e ć i o d b i o r y 3x x 3 8 0 /2 2 0 V} 50 Hz, 14 -
s i l n i k u r z ą d z e n i a k l i m a t y z a c y j n e g o .
Zadaniem f i l t r u 1 j e s t od se p a ro w a n ie u k ła d u od za
k ł ó c e ń s i e c i o w y c h . Falow
n i k 2 wraz z t r a n s f o r m a t o rem 3 p r z e k s z t a ł c a wysokie n a p i ę c i e s t a ł e 3000 V na n i s k i e n a p i ę c i e je d n o f a z o we o c z ę s t o t l i w o ś c i 300 - - 500 Hz. T ra n s f o r m a t o r 3 po s t r o n i e w tó r n e j ma t r z y nego z a s i l a n i a wagonów z za sto so w a n iem p r z e - UZW0i e n i a z k t ó r y c h z a s i - tw o r n i c y s t a t y c z n e j i zm iennoprądowej wago- J ’ r y c n
nowej s i e c i odbiorów d u ż e j mocy l a n e sąs
- s i e ć t r ó j f a z o w a 1 3 , p o p r z e z p r o s t o w n i k NN 4 , f i l t r NN 7 , f a l o w n i k t r ó j fazowy 11 i t r a n s f o r m a t o r 12,
- s i e ć 24 V p r ą d u s t a ł e g o 9» p o p r ą e z p r o s t o w n i k 6, f i l t r 8 , - s i e ć 220 V; 300-500 Hz, do z a s i l a n i a ś w i e t l ó w e k .
F alo w n ik t r ó j f a z o w y 11 ma s t a b i l i z o w a n ą c z ę s t o t l i w o ś ć i n a p i ę c i e . S t a b i l i z a c j ę n a p i ę c i a s t a ł e g o 24 V można uzyskać p r z y pomocy ste ro w a n e g o p r o s t o w n i k a 6 . D z i ę k i z a s t o s o w a n i u p o ś r e d n i c z ą c e g o obwodu o podwyższonej c z ę s t o t l i w o ś c i f ^ , u z y s k u je s i ę z m n i e j s z e n i e gabarytów i mas t r a n s f o r m a t o r a 3 , f a l o w n i k a 2 , f i l t r u 1.
Ze w zględu na p r z e t ę ż e n i a prądowe p o w s t a j ą c e p r z y z a ł ą c z a n i u s i l n i k ó w a s y n c h r o n i c z n y c h u r z ą d z e n i a k l i m a t y z a c y j n e g o , odpow iednie e le m e n ty t o r u głównego muszą być przewym iarowane.
3000V
MN.
NN | 2Z0V;S00Hxt 5
6 Us
X ,
h
U, I
11 10
hW-
24N= 9
T -
3< ISO/no V;SOHz
0
11
13
E y s . 1 . Schem at k o n c p e c y j n y u k ła d u c e n t r a l -
M o ż liw o ś c i r e a l i z a c j i vi k r a j u p r z e t w o r n i c . 19
~5000V
B y s . 2 . Schem at k o n c e p c y j n y u k ła d u c e n t r a l n e g o z a s i l a n i a wagonów z z a s t o sowaniem p r z e t w o r n i c y s t a t y c z n e j i s t a ł o p r ą d o w e j wagonowej s i e c i odbiorów
d u ż e j mocy
Na r y s u n k u 2 pokazano k o n c e p c j ę u k ła d u w którym s i l n i k do n ap ę d u kom
p r e s o r a j e s t maszyną p r ą d u s t a ł e g o 15.
Podstawowymi z e s p o ł a m i u k ła d u o p r ó c z o p is a n y c h 1 - 1 0 w k o n c e p c j i z r y s u n k u 1 s ą :
14 - s i e ć p r ą d u s t a ł e g o odbiorów d u ż e j n o c y , 16 - p r z e m ie n n i k c z ę s t o t l i w o ś c i ,
17 - s i e ć i o d b i o r y 220 V; 50 Hz.
W u k ł a d z i e tym zbędne j e s t przewymiarowywanie elementów t o r u głównego p r z e t w o r n i c y .
3 . Z a k o ń c z e n ie
B i o r ą c pod uwagę d o ś w i a d c z e n i a p r o d u k c y jn e w d z i e d z i n i e maszyn i e l e k tromaszynowych p r z e t w o r n i c t r a k c y j n y c h , dochodzimy do w n io sk u , że p o d j ę c i e p r a c i e w e n tu a l n e u r u c h o m i e n ia p r o d u k c j i układów p r z e t w a r z a j ą c y c h na b a z i e e le k tr o m a s z y n o w e j j e s t w k r a j u r e a l n e . P ro to t y p o w ą p r z e t w o r n i o ę wi
r u j ą c ą można k o n s tr u o w a ć w o p a r c i u o i s t n i e j ą c e w i e l k o ś c i m echa nicz ne i e l e k t r y c z n e produkowanych o b e c n ie s i l n i k ó w i p r ą d n i c .
W c h w i l i o b e c n e j u k ła d y z p r z e t w o r n i c a m i elektrom aszynow ym i s ą t a ń s z e w p o r ó w n a n iu z p r z e t w o r n i c a m i s t a t y c z n y m i i ł a t w i e j s z e w r e a l i z a c j i w na
s z y c h k r a jo w y c h w aru n k ac h .
20 Wiesław G a b r y ś , A n d rz ej L e s z c z y ń s k i
N a le ż y je d n a k z w ró c ić uwagę na dynamiczny ro zw ó j p r z e m y s łu p ó łp rze w o d nikowego w k r a j u i zarysowyw ują ce s i ę m o ż l i w o ś c i budowy omawianych p r z e t w o r n i c na b a z i e k ra jo w y c h elem entó w .
W końcu b i e ż ą c e g o r o k u przewidywany j e s t t e r m i n r o z p o c z ę c i a w k r a j u p r o d u k c j i t y r y s t o r ó w o o d p o w ie d n i e j k l a s i e n a p i ę c i o w e j i małych c z a s a c h wy
ł ą c z a n i a , n ie z b ę d n y c h do r e a l i z a c j i u r z ą d z e ń te g o r o d z a j u .
LITERATURA
[1] G abryś W., L e s z c z y ń s k i A. Z a s i l a n i e e n e r g i ą e l e k t r y c z n ą wagonów oso
bowych na duże p r ę d k o ś c i z c e n t r a l n e g o przewodu z a s i l a j ą c e g o . Z e s z y ty Naukowe P o l i t e c h n i k i Ś l ą s k i e j E l e k t r y k a nr 54 1976 i .
B03M03KH0CTIT OCyiHECTBJIEHHH B CTPAHE, IIPE0EPA30BATEJIEił jlJIil CHCTEMN UEHTPAJIbHOrO HHTAHHH nACCA3KUPCKHX BATOHOB HA EOJIbUIHE CKOPOCTH
P e 3 to m e
B d a i b e oCcyscfleHa b o 3 m o * h o c t h ocym eciB JieH H a npoToTKnHOii CHCTeuu MamHH—
Horo n p e o 6 p a3 0 B a T e jiH , BhucojiHoii m o u h o c t h o k o j i o 25 k b t , c H cnojibsoBaH zeM n p o - h 3 b o ^ h m h x b c ip a H e MamHH.
I I p e r ; c T a B J i e H a m e a h b o3m o x h o c t h o c y m e c T B J i e H H H C H C T e M U ą e H T p a J i b H o r o n n i a - h h h n a c c a a c H p c K H X B a r o H O B c n p H M e H e H H e M - c i a T H n e c K o r o n p e o S p a 3 0 B a i e j i H .
POSSIBILITIES OP MAKING CENTRAL POWER CONVERTERS FOR HIGH SPEED RAIL-COACHES IN OUR COUNTRY
S u m m a r y
I n t h e p a p e r , t h e p o s s i b i l i t y o f making a p r o t o t y p e o f a 25 kW o u t p u t c e n t r a l power motor c o n v e r t e r on t h e b a s i s o f m a ch in e s p ro d u ce d i n P o la n d i s d e s c r i b e d .
C o n c e p t i o n and p o s s i b i l i t i e s o f making a c e n t r a l power u n i t f o r r a i l - c o a - c h e s u s i n g a s t a t i c c o n v e r t e r a r e g i v e n .
