Elektryczne pojazdy trakcyjne nowych generacji - rozwiązania obwodów głównych

(1)

XIII K O N FER EN C JA NA UK O W A

„PO JA ZDY SZY N O W E '9 8 ”

ZN POLITECH NIKI ŚLĄ SKIEJ 1998 Seria: TRA N SPO RT z.31, n r kol. 1392

Józef M A R C IN IA K

ELEKTRYCZNE POJAZDY TRAKCYJNE NOWYCH GENERACJI - ROZWIĄZANIA OBWODÓW GŁÓWNYCH

Streszczenie. W referacie przedstaw iono w ym agania eksploatacyjne elektrycznych pojazdów trakcyjnych nowych generacji oraz typowe rozwiązania obw odów głównych elektrycznych pojazdów trakcyjnych jedno- i wielosystem ow ych.

NEW GENERATION OF ELECTRIC TRACTION VEHICLES - DESIGN OF MAIN CIRCUITS

Sum m ary. In the paper service requirem ents o f new generation o f electric traction vehicles, typical designs o f m ain circuits for single and m ulti voltage units are presented.

1. W STĘP

K olejow e pojazdy trakcyjne z przełom u XX i XXI w. są obiektam i technicznym i o złożonych układach elektrycznych, elektronicznych m echanicznych i pneum atycznych - m ów im y w ów czas, że s ą to pojazdy now ych generacji. Pojazdy te charakteryzuje m ożliw ość rozw ijania dużych prędkości w granicach 200 - 300 km /h w ruchu pasażerskim i prędkości do 160 km /h w ruchu towarowym. W pojazdach tych w ystępują zespoły i podzespoły, które dotychczas nie były stosowane, ja k np. ham ulec szynowy, przetwornice statyczne, urządzenia przeciw poślizgow e, przetw orniki energii, asynchroniczne silniki trakcyjne klatkowe, diagnostyka i kom putery pokładowe w spom agające proces sterowania i użytkow ania pojazdu.

Przedstaw ione w artykule rozw iązania układowe są aktualnie eksploatawane w lokom otywach przez odpow iednie zarządy kolejowe lub znajdują się w sferze opracowań konstrukcyjnych.

U kładow e rozw iązania nie w yczerpują całości zagadnienia, są jedynie w prow adzeniem do problem atyki konstrukcyjno-układow ej pojazdów trakcyjnych.

(2)

2. W ŁA ŚC IW O ŚC I I C H A RA K TERY STY K I POJA ZD Ó W TRA K CY JN Y CH N O W Y C H G EN ER A C JI

P rzew iduje się, że now e pojazdy trakcyjne nowych generacji stosow ane do przewozów pasażerskich i tow arow ych rozw ijać będ ą prędkości w granicach 140 - 240 km /h i składać się b ęd ą z lokom otyw y dw usystem ow ej 3 kV prądu stałego i 25 kV prądu przem iennego lub 3 kV prądu stałego i 15 kV prądu przem iennego o częstotliw ści 162 Hz o mocy 5000 - 7000 kW.

M asy lokom otyw w ielosystem ow ych zaw ierać się b ęd ą w granicach 88 - 90 t.

L okom otyw y now ego typu [31 ] posiadać b ed ą przekształtniki napięcia z zastosow aniem tyrystorów G TO m ających napięcie pracy U - 4500 V i prąd nom inalny 1 - 3000 A, a tym sam ym ograniczenie liczby elem entów półprzew odnikow ych w obw odzie do około 80 sztuk.

S ilniki trakcyjne bezkom utatorow e (asynchroniczne klatkowe), bez obudow y, wodne chłodzenie tyrystorów zam iast chłodzenia freonowego, a także zastosow anie tranzystorów m ocy w przekształtnikow ych obw odach pom ocniczych oraz kom puterów pokładowych 2-bitow ych do funkcji sterow ania kontroli, diagnostyki i inform atyki, m odyfkacji impulsów w yjściow ych z przekształtników pozw alających na zm niejszenie elem entów filtrujących. W konstrukcyjnej części m echanicznej pojazdów pow inno się stosować:

- zw iększenie odporności czołow ych części pudeł na zderzenie,

- w prow adzenie klim atyzow anych kabin m aszynisty, odpornych na zm iany ciśnienia zew nętrznego,

- ulepszenie w zakresie ergonom ii stanow iska m aszynisty i jego centralne usytuow anie w kabinie,

- w ykorzystanie m ateriałów niepalnych w wyposażeniu wnętrza,

- częściow e zaw ieszenie silnika trakcyjnego w nadw oziu lokom otywy lub częściowe zaw ieszenie silnika z poprzecznym ruchem nadwozia,

- radialne nastaw ienie zestaw ów kół na lokom otywach użytkowych na trasach z du żą liczbą łuków ,

- zastosow anie dodatkow ego ham ulca m agnetycznego lub tarczow ego do uzyskania w ym aganych dróg ham ow ania przy biegu luzem lokomotywy.

T rw ałość now oczesnych lokom otyw określana je st na 40 lat [31]. Z akłada się, że uszkodzenie lokom otyw y pow odujące w yłączenie jej z pracy pow inno w ystępow ać nie częściej niż 1 raz na 250 - 300 tys. km przebiegu. Przebieg m iędzy przetoczeniem obręczy lub w ieńca kół zestaw u pow inien w ynosić około 500 tys. km

P rzebiegi m iędzy poszczególnym i rodzajam i usług pow inny wynosić [35]:

- m iędzy przeglądam i okresow ym i 20 tys. km, - m iędzy napraw am i rew izyjnym i 1 - 2 m in km, - m iędzy napraw am i głów nym i 4 m in km.

N ow oczesne pojazdy trakcyjne pow inny w yróżniać się cecham i um ożliw iającym i ich użytkow anie zarów no w ruchu pasażerskim , ja k i towarowym. Lokom otyw y powinny w yróżniać się następującym i param etram i:

- posiadać układ osi Bo-Bo,

- m asa lokom otyw y w stanie służbow ym 82 t, - najw iększa prędkość konstrukcyjna 250 km/h -n a jw ię k sz a prędkość eksploatacyjna 2;0 km/h.

Ś terow anie napędem i ham ow aniem pojazdu powinno być realizow ane przez kom puter pokładow y spraw ujący funkcje kontroli, zabezpieczeń oraz diagnostyki. Pojazd trakcyjny pow inien posiadać ham ulec elektrodynam iczny lub zdolność ham ow ania pociągu z oddawa-

(3)

E lektryczne pojazdy trakcyjne. 161

oddaw aniem energii do sieci. Część biegowa pojazdu - w ózki, pow inny posiadać zestawy kołow e bezobręczow e, bezw idłow e prowadzenie maźnic i usprężynowanie drugiego stopnia typu "flexicoil".

Intensyw na w ym iana handlow a z sąsiadami Polski powodować będzie potrzebę obsługi trakcyjnej pociągów w ychodzących poza granice kraju w inne system y zasilania elektroenergetycznego. Pojazdy trakcyjne nowej generacji powinny w ięc być budow ane jako w ielosystem ow e na napięcie; kV prądu stałego, 25 kV - 50 Hz oraz 15 kV - \ 6 2!^ Hz.

C harakterystyczne i podstaw ow e parametry lokom otyw elektrycznych na w ysokie prędkości przedstaw iono w tablicy 1.

W tablicy przedstaw iono param etry lokom otyw eksploatowanych w w ybranych zarządach kolejow ych oraz lokom otyw y oferowane dla PKP przez dostawców: A B B -R FN i Pafaw ag i G EC -A lsthom F rancja oraz AEG-RFN.

Z asadniczym i w ięc w ym aganiam i pojazdów trakcyjnych now ych generacji je st [15]:

- zw iększenie prędkości pociągów w ruchu pasażerskim w granicach 200 - 300 km/h, - zw iększenie m asy i prędkości pociągów w ruchu towarowym do 140 km/h, - m ożliw ie niskie koszty eksploatacji,

- energooszczędność stosow anych pojazdów.

B adania [24] w ykazują, że osiągnięcie na terenie płaskim ustalonej prędkości pociągu, np.160 km /h, je s t m ożliw e przy jednostkow ej mocy pojazdu trakcyjnego 10 -12 kW /t, a osiągnięcie prędkości 200 km /h - przy mocy jednostkow ej 1 5 - 2 0 kW /t. W ystępuje zatem potrzeba znacznego zw iększenia mocy przypadającej na jeden zestaw kołowy napędowy.

Z w iększenie m ocy zainstalowanej n a jednym zestawie kołow ym powyżej 1000 kW przy stosow aniu silników kom utatorow ych prądu stałego napotyka trudności konstrukcyjne.

G abaryt silnika nie m ieści sie w przestrzeni wyznaczonej skrajnią pojazdu. Stąd potrzeba stosow ania elektrycznych silników prądu przemiennego - asynchronicznych klatkowych.

Z astosow anie w napędach trakcyjnych silników prądu przem iennego um ożliw ia zwiększenie m ocy na je d n y m zestaw ie kołow ym napędnym do 2000 kW przy średnicy koła 1250 mm.

Z w iększenie m ocy przypadającej na oś zestawu kołow ego je st zw iązane ze zwiększeniem siły przyczepności, co m ożna osiągnąć w pewnych granicach przez w zrost nacisku na oś, a także przez w prow adzenie coraz doskonalszych układów do sam oczynnego w ykryw ania i likw idacji poślizgu, um ożliw iających pracę każdego zestawu na granicy przyczepności. W now oczesnych lokom otyw ach (koniec XX wieku) problem em je st oszczędność energii elektrycznej, czyli ekonom icznej pracy lokom otyw elektrycznych. Problem ten rozwiązywany je st w ielopłaszczyznow o - przez:

1) zm niejszenie strat energii przy rozruchu i regulacji prędkości dzięki w prow adzeniu tyrystorow ych układów sterow ania silnikam i trakcyjnymi oraz system ów autom atyki, zw łaszcza układów stabilizacji prądu rozruchu i program ow ania prędkości jazdy;

2) zm niejszenie strat energii przy ham owaniu w w yniku w prow adzenia układów ham ow ania odzyskow ego w m ożliw ie szerokim przedziale prędkości jazdy;

3) popraw ę w spółczynnika mocy w system ie prądu przem iennego, przede w szystkim za p o m o cą odpow iednich układów przekształtnikowych zasilających silniki trakcyjne.

W ym ienionym w ym aganiom powinny więc także sprostać pojazdy trakcyjne PKP.

D la ilustracji w łaściw ości użytkowych pojazdów trakcyjnych now ych generacji przedstaw iono charakterystyki trakcyjne:

- lokom otyw y uniw ersalnej EuroSprinter - rys. 1, - zespołu całopociągow ego ICE - rys. 2.

N a rysunku 1 przedstaw iono charakterystykę zew nętrzną lokom otywy EuroSpinter, tj.

przebieg siły uciągu w kN (na haku), oporów ruchu w kN oraz siły ham ow ania w funkcji prędkości. O pory ruchu podano dla pociągu pasażerskiego o masie 600 t na prostej i na pochyleniu 5%o oraz dla pociągu tow arow ego o m asie 1 0 0 0 1 na prostej i na pochyleniu 5%o.

(4)

Podstawowe parametrylokomotywelektrycznychnawysokie prędkości t-

Lokomotywyoferowane PKP AEG RFN uniwersalna|

>ii

rt Bo-Bo .82 . | 200 | 6000 1 asynchroniczne |

ooo rvi

\ brakdanych| 3x440 V, 60 Hz sO. rr

O o o

o_CTs"r- o ’

1 .. 4-1|

Vrsi

GEC-Alshtom Francja

tsjC,

"won

>

C3 Í

-* T l

1

Bo-Bo O

y£3<30 220 5600 (6000) asynchroniczne | OCN c-t

2600/3000 3x380 V, 60Hz 1 4,14

1 r

ifsi . j 9.694 1 2,9

V

ABB-RFN i Pafawag uniwersalna i

CN 1 C-1

> «5 M r_^

| Bo-B

o oooo

Ołoo

OZZ 6400 (4500) I asynchroniczne 1 280 4000/6000 3x440 V; 60Hz 3,304 fr'6

l

V V°.

<N

Lokomotywyeksploatowane BB26000 Francja uniwersalna 25kV; 50 Hz | a-a 90 200 5600 1 synchroniczne | OĆE i 2900/- 3x380 V, 60Hz 1 2,212l U'». 1

rr90 sO o '

r*Cs r*^CS*

! 1,25

? g w 5

~ñc

o ę

>a

m Bo-Bo1______*8 ..

1

0 r-J 01 5000 1 asynchroniczne

Ors

3800/5000 3x450 V; 60Hz

asV r*T

-ef OC o ‘

V30 r-i* 1,25

S252 Hiszpania uniwersalna |

am

> ^

V

Bo-Bo

OOOO001 Ol

OO NO

fasy»chroniczne

j

O

o<3 in O m

~rN O50

>

O~T -rX m | brakdanych!

oom O*n C3O

m VrN

£ c

^ u

£ 5 CX t/1

CO

*<5l/i

£ C3

(N 1 m vO

¿ J

| Bo-Bo

000 m01 4800 | asynchroniczne | ÍLZ

O oo~r

XN ovt

>vi Osm mX

3,66

7 sor-‘O. 00 CNJ -

On cć. 2 cn

«0c a V C3

er 1 es

£

o K LO

03O 0QÓ

l ** O

ot Oo sOV

| asynchroniczne

Oo rn -/4000 3x440 V; 60Hz

m

1 19.2 10,2 2,8 1.25

I

io o ć5'N s ParametrTyp Kraj 5^o

uN Ua cN Łł o.Cl

Systemzasilania Układosi 1 Masa służbowa [Mg|| I Prędkośćmax. [km/h]

-X n . fu oo

s

I Silniki trakcyjne X

£1 X

5

MO

w.

C3 (r>

Mochamulca Obwodypomocnicze I Przełożenieprzekładni

i O Bo _o

a

3 Q

[

Baza lokomotywy(ml

E_ n

• P

N a

<33 ca

•O

cac

NUO

T3

_OC

■<J1

₁₎^M

ochamulca w układzie:hamulec oporowy/odzyskowy 2)Dane w nawiasach dotyczą drugiegosystemu wersjiprzyszłościowej lokomotywydwusystemowej

(5)

Elektryczne pojazdy trakcyjne.. 163

R y s .l. C h arakterystyka zew nętrzna lokom otyw y EuroSprinter Fig. 1. External characteristics o f Eurosprinter locom otive

Rys. 2. C harakterystyka zespołu ICE : A - charakterystyka trakcyjna, B - charakterystyka ham ow ania Fig.2. C haracteristics o f ICE unit: A - traction characteristic,B - braking characteristic

(6)

3. O B W O D Y G ŁÓ W N E N O W O C ZESN Y C H ELEK TR YC ZNY CH PO JA ZD Ó W TR A K C Y JN Y C H D U ŻEJ M OCY

P rzedstaw ione obw ody głów ne lokom otyw elektrycznych dużej mocy dotyczą zasilania z napięciem 3 kV prąd stały i 15 kV -162/3 H z oraz 25 kV - 50 H z i przy zastosow aniu asynchronicznych silników klatkow ych będących jednostkam i napędow ym i lokomotyw.

A synchroniczne klatkow e silniki trakcyjne zasilane s ą z falowników , do których budowy w ykorzystano tyrystory. W falow nikach pracujących na napięcie 3 kV niezbędne było łączenie w szereg do ośm iu tyrystorów i stosowanie dodatkowych obw odów kom utacyjnych. Przy opracow aniu tych układów ograniczeniem była m inim alizacja strat pow stających przy przekształceniach energii oraz m inim alizacjai zakłóceń elektrom agnetycznych, a także w ym agania eksploatacyjne dotyczące uzyskania potrzebnej mocy trakcyjnej, w ykorzystania w dużym stopniu przyczepności zestaw ów kołow ych i zm niejszenia strat z tytułu uszkodzeń podstaw ow ych zespołów obw odu głów nego [26]. W początkow ym okresie stosowania falow ników zastosow anie znalazły falowniki prądu (lokom otyw y 14E; CSD 85E).

W spółczesne lokom otyw y w yposażone są w falowniki napięcia z zastosow aniem tyrystorów GTO.

Przy napędzie lokom otyw silnikam i asynchronicznym i istnieją dw ie m ożliw ości zasilania silników trakcyjnych:

- w sposób indyw idualny (z indyw idualną regulacją),

- w sposób rów noległy (z regulacją grupową, np. wg średnich obrotów ) [26],

Z asilanie rów noległe silników trakcyjnych z jednego falow nika ogranicza liczbę falow ników do dw óch, a tym sam ym zm niejsza liczbę elem entów półprzew odnikow ych o połow ę. Z m niejszenie kosztu lokom otywy wynosi w tym przypadku średnio około 5% [26], Pom im o uproszczenia układu głów nego przy rów noległym połączeniu silników zasilanych z jed n eg o falow nika, kłopotliw ą w adą je st m niejsza zdolność pełnego w ykorzystania przyczepności zestaw ów kołow ych. W iele now oczesnych konstrukcji pojazdów trakcyjnych m a rów noległe zasilanie silników , ja k np.: DB BR 120; FS E402; SBB 460, a także człony napędow e pociągów ICE i ETR 500.

C oraz częściej p ow stają jednak konstrukcje z indyw idualnym zasilaniem silników trakcyjnych, ja k np. R E N FE S252, Eurosprinter i człony napędow e "Eurostar". Podsta

w ow ym i zaletam i zasilania indyw idualnego są:

- m ożliw ość utrzym ania pracy napędu w zakresie m aksym alnego w ykorzystania przyczepności,

- zw iększona tolerancja średnic kół pary zestaw ów kołowych, - w przypadku aw arii m ożliw ość utrzym ania 70% mocy lokom otywy.

W lokom otyw ach prądu stałego zasilanie falow ników może być realizowane:

- pośrednio poprzez przekształtnik prąd stały - prąd stały i obw ód pośredni o stałym napięciu,

- bezpośrednio z obw odu połączonego z siecią trakcyjną o zm iennym napięciu wahającym się w znorm alizow anych granicach, jak też o pojaw iających się przepięciach. Obwód głów ny lokom otyw y przy pośrednim zasilaniu falow ników przedstaw iono na rys. 3.

Z asadniczą zaletą układu z zasilaniem pośrednim je st stabilizacja napięcia w obwodzie pośredniczącym , tj. zabezpieczenie falow nika przed nadm iernym w zrostem napięcia zasilania.

F alow nik w tym przypadku je st układowo stosunkowo prosty - tw orząc tzw. dw a poziomy.

N atom iast do w ad tego rozw iązania m ożna zaliczyć:

(7)

i— K H

— 1 % -

- w -

H 4 -

— { % -

H 4 -

— K H

— { % -

- K H

H % KI— — W - K K r — KI— — K b t % ~ —

-W — - i > h r

fO.

r— W -

— K E

- M *

8

4

- W — l

- M —

■ ł + r

- M -

-Mr-

k + r — l— 1 W

t

■ M — — W r M -

■ W r t % W r 1 - K H

- W r -

- C

A

Rys.3. O bw ód głów ny z pośrednim zasilaniem falow ników (układ dw upoziom ow y) dla jed n eg o w ózka Fig.3. M ain circuit with direct feeding o f converters (double stage system ) for one bogie

/////////z

(8)

Rys.4. O bw ód głów ny z bezpośrednim zasilaniem falow ników i rów noległym zasilaniem silników trakcyjnych (układ trójpoziom ow y) dla je d n eg o w ózka

Fig.4. M ain circuit w ith direct feeding o f converters and parallel feeding o f traction m otors (three stage system ) for one bogie

(9)

/ V

w -

- w -

- c * r

w

i

■ w -

W

j < h -

■ M -

w

W ,

■ w -

- i < H

- K H - C %

- W -

• W r C

Rys.5. O bw ód głów ny z bezpośrednim zasilaniem falow ników połączonych szeregow o w układzie 2 x 2 poziom ym i rów noległym zasilaniem silników trakcyjnych

Fig.5. M ain circuit w ith direct feeding o f serially connected converters in 2x2 horizontal system and parallel feeding o f traction m otors

/////////Z

(10)

- zastosow anie dodatkow ego zespołu, ja k im je st przekształtnik prąd stały - prąd stały, - w iększe oddziaływ anie im pulsów prądu na sieć, co w ym aga stosow ania większej liczby

dław ików

- straty energii przekształcenia w dodatkow ym zespole oraz w zwiększonej liczbie dław ików .

Istnieje opinia (np. A BB ), że straty energii przy szeregowo połączonych falownikach bezpośrednio zasilanych są m niejsze niż w układzie z przekształtnikiem w ejściow ym - jak pokazano na rys. 4. Przy zasilaniu bezpośrednim - falow nik narażony je st na występowanie przepięć sięgających 9 kV, dlatego też naw et przy zastosow aniu tyrystorów GTO, układ połączeń falow nika pow inien być trójpoziom ow y [26], Zw iększa to liczbę elementów półprzew odnikow ych naw et do 30 sztuk, podczas gdy w falow niku dw upoziom owym może być ich 12 sztuk. W dotychczasow ych konstrukcjach ograniczono liczbę falow ników do dw óch.

Do zalet zasilania bezpośredniego m ożna zaliczyć:

- całkow ite w yelim inow anie zespołu przekształtnika prąd stały - prąd stały,

- korzystniejsze ukształtow anie im pulsów prądów oddziałujących na sieć (co znacznie ogranicza liczbę dław ików z 12 do 2) [26],

- ograniczenie strat energii dzięki w yelim inow aniu przekształtnika i części dławików.

G łó w n ą w a d ą zasilania bezpośredniego z zastosow aniem falow ników trójpoziom owych je st zw iększenie liczby elem entów w poszczególnych falow nikach oraz duża złożoność

sterow nika falow nika. O bwody główne z falownikam i bezpośrednio zasilanym i zostały zastosow ane w lokom otyw ach SBB I 822 i SBB 460 (lokom otyw a SBB 460 zasilana jest prądem stałym 3 kV)

Falow niki m o g ą być także zasilane bezpośrednio w układzie, w którym falowniki dw upoziom ow e połączone są szeregow o - rys. 5. Układ taki daje m ożliw ość indywidualnego zasilania silników trakcyjnych przy utrzym aniu podanej liczby elem entów półprzew odni

kow ych, ja k w przypadku falow ników o połączeniach trójpoziom ow ych i równoległym zasilaniu silników trakcyjnych. W prowadzenie tyrystorów GTO o ograniczonym napięciu w stecznym 8 kV bedzie m iało w pływ na ukształtow anie obw odu głów nego z falownikami bezpośrednio zasilanym i. Przew iduje się, że w prow adzenie tranzystorów mocy w miejsce tyrystorów G TO spow oduje realizację układów falow ników z połączeniam i w ielo

poziom ow ym i.

4. R O Z W IĄ Z A N IA O BW O D Ó W G ŁÓW N YCH LO KO M O TY W W IELO S Y STEM O W Y CH

W ykorzystanie pojazdu trakcyjnego na szlakach kolejow ych o różnych system ach zasilania elektroenergetycznego spow odow ało konieczność opracow ania pojazdów w ielosystem ow ych [15]. P rojektow ane są w ersje pojazdów TGV oraz ICE z zasilaniem czterosystem ow ym , a badane s ą aktualne człony napędow e pociągu "Eurostar" tró jn ap ięcio w e- 5,; i 0,7_ kV (26].

Projektow ana je s t now a trójsystem ow a lokom otyw a dla SNCF dla napięć: 25 prąd zm ienny i 1,5 kV prąd stały. A ktualnie produkuje się lokom otyw y w ielosystem owe:

S252 na napięcia 25 kV 50 H z i 3 kV prąd stały dla RENFE;

1822 n a napięcia 15 kV - \ 6 2!^ H z i 3 kV prąd stały dla ÔBB;

1014 na napięcie 25 kV - 50 H z i 15 kV -162/3 Hz.

(11)

Rys. 6. U kład lokom otyw y dw usystem ow ej: falow niki 2-poziom ow e zasilane przez przekształtniki czterokw adrantow e (3 m oduły) dla system u AC przez choppery dla system u DC, zasilanie silników indyw idualne

Fig.6. D ouble system locom otive: tw o level inverters fed by 4Q converters (three m odules) for AC system s ad by ch o p p ers for DC system , traction m otors fed individually

(12)

Rys. 7. O bw ód głów ny lokom otyw y dw usystem ow ej: falow niki 3-poziom ow e zasilane bezpośrednio przy prądzie stałym , a p oprzez przekształtnik czterokw adrantow y - przy prądzie przem iennym

Fig.7. M ain circu it o f double system locom otive: three level inverters fed directly from DC net and from 4Q co n v erter u n d er AC line

(13)

W lokom otyw ach zasilanych napięciem 3 kV prąd stały i prądem przem iennym m ogą być zastosow ane następujące rozw iązania układowe:

- zasilanie pośrednie falow nika zarówno w przypadku prądu stałego, ja k i przem iennego;

- zasilanie bezpośrednie falow ników przy zasilaniu prądem stałym 3 kV.

Z asilanie pośrednie falow nika lokom otywy dwusystemowej S252 kolei RENFE przedstaw iono na rys. 6.

Z astosow ano tu falow niki 2-poziom owe zasilane przez przekształtniki czterokw adrantowe dla system u AC lub przez choppery dla system u DC, zasilanie silników indywidualne. Przy zasilaniu prądem stałym dw a m oduły sterow nika tw orzą przekształtnik prąd stały - prąd stały.

Sum aryczna liczba elem entów półprzew odnikow ych w tym układzie w ynosi 100.

Przy zasilaniu prądem przem iennym 25 kV obwody pośrednie jednego w ózka są połączone rów nolegle, co um ożliw ia przy odpow iednim przesunięciu fazowym uzyskanie częstotliwości podstaw ow ej oddziaływ ania na sieć, równej 3000 Hz przy częstotliw ości pracy przekształtnika sieciow ego 500 Hz.

Przy zasilaniu lokom otyw y prądem stałym 3 kV, obwody pośrednie oddzielone są od siebie, ale m oduły przekształtnika są sprzężone przez dławiki. M oduł przekształtnika pracuje z podstaw ow ą częstotliw ością 300 Hz, lecz dzięki przesunięciom fazowym przekształtników istnieje m ożliw ość uzyskania częstotliw ości 2400 H z - częstotliw ość ta oddziałuje na ca łą sieć lokom otyw y. W pływ a to korzystnie na obciążenia kondensatorów obw odu pośredniego, jak tyrystorów GTO. K orzystnie przebiega także proces filtracji częstotliwości. Podobne rozw iązanie przew idziano w projektowanej lokom otywie DB BR 121.

Inne rozw iązanie zastosow ano w lokom otywie dwusystemowej ÓBB 1822 pracującej na napięcie 15 kV -16; H z oraz; kV prąd stały - rys. 7.

Przy prądzie przem iennym falowniki zasilane są poprzez sterowniki czterokw adrantowe, a w przypadku zasilania prądem stałym - bezpośrednio. Połączenie m odułów obu system ów lokom otyw y tw orzy falow niki trój poziomowe. Zasilanie silników trakcyjnych zrealizow ano w sposób rów noległy. Zastosow ano dwa falowniki o liczbie elem entów półprzew odnikow ych w ynoszącej 144 sztuki. O bwody główne każdego system u w spółpracują z systemem kom puterow ym [31].

W rozw iązaniu przedstaw ionym zastosow ano kom puter 32-bitowy, który um ożliwia:

- zw iększenie dokładności sterow ania i regulacji;

- utrzym anie pracy napędu w zakresie optym alnego poślizgu;

- optym alizację kształtu fali napięcia wyjściow ego falownika;

- diagnozow anie większej liczby elementów;

- w prow adzenie funkcji dodatkowych, np. prognozowanie jazd energooszczędnych, w ykresy jazdy, w spółpraca człowiek - pojazd trakcyjny.

5. P R O B L E M Y C H ŁO D ZEN IA TYRYSTO RÓ W

Z astosow anie w układach przekształtnikowych i falownikowych tyrystorów o coraz w iększych m ocach oraz skupienie ich na małej przestrzeni spow odowało konieczność intensyw nego ich chłodzenia i odprowadzania ciepła.

W now oczesnych lokom otywach dużej mocy stosowane są następujące rodzaje chłodzenia elem entów półprzew odnikow ych:

- chłodzenie olejowe;

- chłodzenie z w ykorzystaniem cieczy parującej;

- chłodzenie wodne.

(14)

Proces chłodzenia realizow any je st przez zanurzenie elem entów półprzew odnikow ych lub przez stosow anie elem entów separacyjnych. Straty mocy w jednym rezystorze w ynoszą około 12 kW , a zatem je st to znaczna m oc, któ rą trzeba odprowadzić na zewnątrz. O intensyw ności chłodzenia decyduje w spółczynnik przenikania ciepła. W spółczynnik ten dla odpow iednich m ediów w ynosi [26]:

- pow ietrze: 10 - 200 W /m 2 K, - olej: 200 - 2 0 0 W /m 2 K, - freon: 300 - 50000 W /m 2 K, - w oda: 200 - 50000 W /m 2 K.

W idać zatem , że najbardziej w ydajny je st freon i woda. Freon ze w zględów ekologicznych w ycofyw any je s t ze stosow ania w chłodzeniu tyrystorów . W m iejsce freonu w prow adza sie środek FC 72 nie w ykazujący w ad freonu, ale jego w adą je st w ysoka cena. F irm a ABB w prow adza olejow y system chłodzenia zarówno przez zanurzenie (lokom otyw a SBB 460), jak rów nież w układzie pośrednim , lokom otyw y DB BR 120 i 121. Olejowy system chłodzenia je st tańszy w eksploatacji aniżeli chłodzenie środkiem FC 72.

N ajtańsze je s t chłodzenie w odne i należy oczekiwać praktycznych rozw iązań - p rzo d u ją w tym w zględzie firm y: A nsaldo, Siem ens oraz AEG. Jak w ykazują badania [11,13] - naw et w lokom otyw ach o m ocy 6000 kW chłodzenie m oże być rozw iązane w w ym ienionych trzech system ach w ykorzystujących odpow iednie media.

L IT E R A T U R A

1. A EG ; A BB Siem ens: T rieb k jp fe der Baureihe 401 des H ochgeschw indigkeitszuges ICE fur die D eutsche Bundesbahn. M ateriały sym pozjum . W arszawa 1980.

2. Brun D; D elfosse P: Une linge des TGV, Rev gen.chem .de Fer nr 1/2, 1992.

3. D urzyński Z, M arciniak Z, Piątek S.: Tendencje rozwoju kolejow ych środków transportu.

XI K onferencja N aukow a "Pojazdy Szynowe", K raków - Szczaw nica 1995.

4. G ąsow ski W.: D urzyński Z; M arciniak Z.: Elektryczne pojazdy trakcyjne, W ydaw nictw a P olitechniki Poznańskiej.

5. G ąsow ski W .; M arciniak Z.: K onstrukcje oraz m odele w ózków i układów zawieszeń w agonów i lokom otyw przeznaczonych do jazdy z dużym i prędkościam i, W ydaw nictw a P olitechniki Poznańskiej, Poznań 1993.

6. G ec A lsthom tw ó rcą Eurostara, Technika Transportu Szynow ego nr 5, 1994.

7. G ronow icz J.: Energochłonność transportu kolejow ego. Trakcja spalinow a, WKiŁ, W arszaw a 1990.

8. G ronow icz J.: O chrona środow iska w transporcie lądowym. W ydaw nictw a Politechniki S zczecińskie, Szczecin 1996.

9. G ronow icz J.: M aszyny i urządzenia pom ocnicze pojazdów szynowych. W ydaw nictw a P olitechniki Poznańskiej, Poznań 1985.

10. H ertel S .,K öhler W.: K onzept zur M essereduzirung beim M ittelw agen des IC-Express, E TR nr 2, 1992.

11. H einem eyer P.: H ochleistungs - Srrom richter m it um w eltfreum dlicher K uhltechnik Glaser A nnolen nr 8/9, 1992.

12. H iroyuki Inone D as M A G L E V -Supraleiter-System Entw icklungsstand Schienen der Welt nr 4, 1994.

(15)

E lektryczne pojazdy trakcyjne.. 173

13. H oli H.; N eum ann G.: W atercooled inverter for synchronous and asynchronous elektric V ehicle dnves,Proc of5-th Europenan Conference on Power Electronics and A pplications, E PE 93, Brighton, vol 55p, 1994.

14. Jansch Eberhard.: M agnetbahntechnik a u f dem W eg zur Anwendung, schinen der W elt nr 7/8, 1994.

15. Jung H.: H ochleistungstrom richter fur Bahnen EB nr 3, 1993.

16. K olzam Racibórz: Autobus szynowy 208M , Technika Transportu Szynowego nr 2, 1996.

17. K atalog w agonów tow arow ych,K olejow a O ficyna W ydawnicza, W arszawa 1995.

18. K ulikow ski H .,M agiera J.,Tułecki A.: W agony tow arow e jako środki transportow e we w spółczesnych rynkach przewozowych, XI K onferencja „Pojazdy szynowe” , Kraków- S zczaw nica 1995.

19. M arciniak J.: K ierunki rozw oju przyszłościow ych kolejow ych pojazdów trakcyjnych końca X X w.,Prace CN TK , z. 102,W arszawa 1991.

20. M arciniak J.,M oczarski J.,Zaorski M.: W ym agania w zakresie utrzym ania i napraw w agonów pasażerskich i lokom otyw elektrycznych dla prędkości 200km/h, Prace CNTK z. 104, 1992.

21. M arciniak J.: Eksploatacja kolejowych pojazdów szynowych, WKiŁ, W arszaw a 1990.

22. M arciniak j.,P aw elczyk M.: Obliczenia elem entów system u eksploatacji kolejowych pojazdów szynowych, Skrypt WSI, Radom 1995.

23. M oraw ski W.: Prognozy przewozów pasażerów i tow arów koleją w Polsce, Przegląd K olejow y nr 6, 1992.

24. Prace badaw cze i tendencje rozwojowe w dziedzinie napędu i trakcji elektrycznej, Polska A kadem ia N auk,PW N , W arszawa 1981.

2 5 .R ab szty n M.: TGV nowej generacji czyli w ysoka prędkość po niskiej cenie,Technika Transportu Szynowego nr 2, 1996.

26. Raczyński J.: Pociąg Flexlinger na próbach w Polsce,Technika Transportu Szynowego nr 11-12, 1995.

27. Siegm an J.: Gestaltung ines sekundaren Kom binierten Verkehrs ETR nr 5, 1992.

28. Siem ens,K raussM affei: H igh-Perform ance,Universal Locom otive Eurosprinter Prototype N o 127001 -6for the G erm an Federal Railwag, M ateriały reklam owe 1983.

29. Szfrański Z.: Lokom otyw y spalinowe z przekładnią prądu przem iennego w USA ,Technika Transportu Szynow ego nr 1, 1996.

30. T eillef B., Renaux J.L.: La technologie bi-modale. Rev Gen chea de Fer nr 3, 1992.

31. W eigel W .D.: SIBAS 32 ein Zukunftweisen des Konzept fur Fahrzeugsteurungen. GA nr 8/9, 1992.

32. W olfram T.: Tabor do przyszłych przewozów PKP, Przegląd K om unikacyjny nr 5-6, 1995.

33. W olfram T.: Tabor kolejowy nowej generacji dla zelektryfikow anych linii szybkiego ruchu. IX K onferencja Naukow a "Pojazdy Szynowe". K raków 1992.

34. W olfram T.: N ow oczesne pojazdy spalinowe kolei europejskich. Technika Transportu Szynow ego nr 6-7, 1995.

35. W olfram T.: N ow oczesne lokom otywy elektryczne dużych mocy kolei europejskich.

Technika Transportu Szynowego nr 8-9, 1995.

Recenzent: Dr hab.inż. Eugeniusz Kałuża Prof. Politechniki Śląskiej

(16)

A bstract

R ailw ay traction vehicles in the fall o f X X and XXI have com plicated electric, electronic, m echanic and pneum atic circuits - so they are called „new generation vehicles” . These vehicles could run w ith high speed 200 - 300 km /h in passenger and 160 km /h in freight traffic. Som e o f the assem blies w ere not used before like rail brake, static converters, antislipping devices, energy converters, squitrel cage traction m otors, diagnosis and on-board com puters supporting operation and m aintenance o f the vehicle. This paper presents design of circuits actually used by railway adm inistrations or designed for com ing solutions.