Kolej     |     Tramwaje     |     Metro     |     Mapa sieci trakcyjnej     |     Symulator tramwaju NGT6

Autor     |     Strona     |     Kontakt     |     Fotorelacje     |     Książka Gości    


Tramwaje

Powrót

Napędy trakcyjne impulsowe:

Rozwój techniki w zakresie elementów półprzewodnikowych dużej mocy umożliwił rozwój układów napędowych w sposób umożliwiając odchodzenie od stosowania napędu rezystancyjnego (oporowego). Wprowadzenie napędu impulsowego spowodowało znaczne oszczędności energii elektrycznej, gdyż zastosowanie elementów półprzewodnikowych spowodowało wyeliminowanie głównego źródła strat energii, czyli oporników rozruchowych. Elementów na których w ramach sterowania wartością napięcia i prądu podawanego na silniki trakcyjne, energia elektryczna był przetwarzana w energię cieplną - bezpowrotnie traconą. Podstawową cechą napędów impulsowych jest właśnie bezstratność energii - z sieci pojazd pobiera energię, która jest wykorzystywana do zasilania silników bez strat na elementach oporowych. Mówiąc o braku strat pomijam oczywiście straty wynikające z poziomu sprawności obwodów i maszyn elektrycznych (silników). Straty te są zjawiskiem naturalnym i niemożliwym do całkowitego wyeliminowania w takich układach elektrycznych.
Dodatkowym ważnym i korzystnym rozwiązaniem napędu impulsowego jest możliwość zastosowania hamulca elektrodynamicznego rekuperacyjnego, czyli możliwości oddawania do sieci trakcyjnej (lub zmagazynowania w zasobniku) energii elektrycznej wytworzonej przez silniki trakcyjne podczas hamowania nimi. To czyni ten rodzaj napędu dodatkowo ekonomicznym i pozwala zaoszczędzić ilość zużywanej do rozruchu energii elektrycznej przez pojazd nawet o około 20-30 %. W przypadku, gdy sieć nie jest w stanie przyjąć tej energii układ hamowania rekuperacyjnego zostaje przełączony na hamowanie oporowe i wyprodukowana energia elektryczna jest wytracana na opornikach hamowania w postaci ciepła (bezpowrotnie tracona).

W zależności od konfiguracji układu napędowego impulsowego oraz jego zaawansowania technicznego stosowane są różne sposoby zasilania silników trakcyjnych (tzw. linii napędowych zasilania).
Najprostszym rozwiązaniem, a jednocześnie najmniej korzystnym z punktu widzenia eksploatacji jest realizacja zasilania wszystkich silników trakcyjnych z jednej przetwornicy trakcyjnej. W tej sytuacji w przypadku awarii przetwornicy następuje pełne unieruchomienie tramwaju. Druga niekorzystna cecha to aspekt poślizgu zestawów kołowych. Nie możemy precyzyjnie sterować prędkością obrotową poszczególnych zestawów kołowych.


Napęd silników z jednej przetwornicy trakcyjnej


Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest zastosowanie niezależnych przetwornicy dla grup dwóch silników trakcyjnych. W tej sytuacji przy awarii jednej przetwornicy możliwe jest kontynuowanie jazdy (zjazd awaryjny do zajezdni) na drugim urządzeniu (tzw. redundancja). W kwestii układu likwidacji poślizgu można niezależnie sterować prędkością obrotową poszczególnych grup silników. W przypadku poślizgu tylko jednego zestawu kołowego konieczna jest regulacja prędkości obrotowej drugiego zestawu mimo, że on np. nie wpadł w poślizg.


Napęd grup silników z niezależnych przetwornic trakcyjnych


Najbardziej optymalnym, ale również ekonomicznie najdroższym rozwiązaniem jest zastosowanie niezależnych linii zasilania silników trakcyjnych. Czyli każdy silnik posiada swoją indywidualną przetwornicę trakcyjną. Dzięki temu układ sterowania może precyzyjnie sterować prędkością obrotową poszczególnych zestawów kołowych i reagować na ewentualne poślizgi tylko w tych zestawach kołowych, które faktycznie wpadły w poślizg, nie wpływając na parametry zestawów kołowych, jadących prawidłowo.


Napęd silników z niezależnych przetwornic trakcyjnych


W przypadku gdy w tramwaju nie ma typowych zestawów kołowych (czyli takich, gdzie koła połączone są osią), lecz naprzeciwległe koła obracają niezależnie od siebie to do zasilania silników stosuje się analogiczne sposoby napędu z różnicą polegającą na tym, że przetwornice zasilają silniki trakcyjne napędzające np. dwa koła, albo jeden silnik napędzający jedno koło posiada indywidualną linię zasilania. W drugim przypadku na 4 koła wózka, napędzane indywidualnym silnikiem każde, zastosowane są 4 indywidualne przetwornice sterujące pracą danego silnika


Przykłady układów napędowych przy braku klasycznych zestawów kołowych
(silniki - żółty, przekładnie - szary, koła - białe, linie zasilania i przetwornice trakcyjne - zielone)


W pojazdach tramwajowych zasilanych z sieci trakcyjnej prądu stałego (DC) rozróżnia się dwa systemu napędu impulsowego - napęd impulsowy DC/DC (tzw. chopperowy) oraz napęd impuslowy DC/AC (tzw. falownikowy).


1) Napęd impulsowy DC/DC (chopperowy) stosowany jest w pojazdach, w których do napędu wykorzystuje się silniki trakcyjne prądu stałego (DC), czyli tzw. silniki szeregowe (analogiczne jak w tramwajach, w których zastosowany był napęd z rozruchem rezystancyjnym).
Sercem tego systemu napędowego są przetwornice trakcyjne DC/DC - tzw. choppery. Przetwarzają one energię elektryczna prądu stałego z sieci trakcyjnej na energię elektryczną prądu stałego, którą zasilane są silniki trakcyjne. Choppery w takim układzie są przerywaczami prądu, które w odpowiedniej częstotliwości (rzędu kilkuset Hz) złączają lub wyłączają zasilanie silników trakcyjnych. W sytuacji załączenia silniki zasilane są bezpośrednio napięciem z sieci trakcyjnej, a przy odłączeniu od zasilania przepływ napięcia w silniku jest podtrzymywany przez diodę. Okresy załączenia / wyłączenia są tak krótkie, że w efekcie podczas rozruchu silniki są zasilane obniżonym napięciem o wartości dostosowanej przez aparaturę sterującą do aktualnego obciążenia i prędkości, a po osiągnięciu prędkości znamionowej silników, zasilane są one wartością napięcia bezpośrednio z sieci trakcyjnej. Jest to odpowiednik jazdy bezoporowej z napędów rezystancyjnych.

Elementami wykonawczymi chopperów są sterowalne tyrystory GTO (Gate Turn-Off), czyli półprzewodniki, których załączenie realizuje się poprzez zasilenie bramki tyrystora potencjałem dodatnim, a wyłączenie poprzez zasilenie jego bramki potencjałem ujemnym.
Podstawowymi elementami składowymi przetwornic trakcyjnych (chopperów) są:
- tyrystory GTO,
- diody pomocnicze,
- sterowniki tyrystorów GTO,
- tyrystory hamowania ED,
- sterowniki tyrystorów hamowania ED,
- układy kontroli prądu wirników i tyrystorów,



W polskich konstrukcjach tramwajów przykładem z fabrycznym zastosowaniem rozruchu impulsowego (chopperowego) były wagony typu 105NT i 106Na wyprodukowane w latach 80-tych ubiegłego wieku przez KONSTAL Chorzów. Zastosowane w nich rozwiązania energoelektroniczne polskiej produkcji, okazały się jednak bardzo awaryjne przez co te tramwaje nie zostały wdrożone do seryjnej produkcji

Kliknij aby powiększyć    Wagon 105NT

Kliknij aby powiększyć    Wagon 105NT z symbolem tyrystora


Innymi przykładami tramwajów eksploatowanych w Polsce z zastosowanym napędem chopperowym są pojazdy typu 112N, 114Na, 116N i 105N2k.

  1501


Kliknij aby powiększyć   Skład 105N2k/2000 - Warszawa


  Skład 105N2k/S/2000 - Szczecin


Sterowanie chopperowe przyjęło się również w ramach modernizacji tramwajów, gdy zastępowano nieekonomiczny system rozruchu rezystancyjnego, napędem impulsowym z pozostawieniem silników trakcyjnych szeregowych.
Przykładem mogą tu być zmodernizowane w Łodzi tramwaje typu 805N do typu 805N-ML, zwane potocznie "Woltanami" od nazwy od producenta systemu napędowego- firmy WOLTAN.

  805-ML



2) Napęd impulsowy DC/AC (falownikowy) stosowany jest w pojazdach, w których do napędu wykorzystuje się silniki trakcyjne prądu zmiennego (AC), czyli tzw. silniki indukcyjne (asynchroniczne, lub czasem synchroniczne).
Silnik indukcyjne w porównaniu z silnikami szeregowymi, sa praktycznie bezobsługowe oraz znacznie mniej awaryjne, a to przez brak w ich budowie komutatora i szczotek węglowych. Są też znacznie mniejsze i lżejsze w stosunku do ich mocowych odpowiedników silników prądu stałego. Umożliwiają wykorzystywanie hamowania elektrodynamicznego w pełnym zakresie prędkości (w silnikach szeregowych hamowanie ED zanika przy około 7-5 km/h). Praktycznie jedynymi elementami, które wymagają przeglądów i konserwacji w ich konstrukcji to łożyska wirnika. Wadą silników indukcyjnych jest bardzo skomplikowany sposób regulacji ich prędkości obrotowej. Mimo tej wady, zdecydowany szereg zalet powoduje, że są to powszechnie stosowane silniki w taborze szynowym i nie tylko.
W silniku indukcyjnym zasilanie jest podłączone tylko do stojana. Trójfazowy prąd zmienny w uzwojeniu stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego (dla każdej fazy) w sposób taki, że pole wypadkowe jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji magnetycznej (stąd nazwa silniki indukcyjne), powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniu wirnika. Wzajemne oddziaływanie pól stojana i wirnika wytwarza moment elektromagnetyczny, powodujący ruch obrotowy wirnika.

Kliknij aby powiększyć   Zespół napędowy z silnikiem indukcyjnym

Kliknij aby powiększyć   Tabliczka znamionowa silnika indukcyjnego SKODA


Głównymi elementami nowoczesnego napędu energoelektronicznego z rozruchem impulsowym są przekształtniki trakcyjne - falowniki trakcyjne zwane też przemiennikami częstotliwości oraz omówione wcześniej indukcyjne silniki trakcyjne i oporniki hamowania. Falowniki trakcyjne to aparatura przetwarzająca prąd stały odbieranego przez odbierak prądu z sieci trakcyjnej na trójfazowy prąd zmienny wykorzystywany do zasilania silników trakcyjnych. Sterowanie prędkością obrotową silników jest realizowane przez falowniki na drodze skalarnej regulacji częstotliwości napięcia wyjściowego poprzez kształtowanie amplitudy i częstotliwości podstawowej harmonicznej trójfazowej fali napięcia wytwarzanego przez falownik, którym zasilane są silniki trakcyjne. Ponieważ powyższy proces nie pozwala na dokładne sterowanie momentem w napędach falownikowych stosuje się dodatkowo sterowanie wektorowe silników w oparciu o opis dynamiki silnika trakcyjnego na podstawie wektorów przestrzennych, które prezentują poszczególne parametry trójfazowych napięć, strumieni magnetycznych, prądów jako wektorów obracających się na płaszczyźnie zmiennej zespolonej. Sterowanie wektorowe daje możliwość lepszego kształtowania własności dynamicznych układu napędowego.
Nowoczesne falowniki trakcyjne stosowane w pojazdach szynowych to bezchopperowe układy bezpośrednie wykonane w technologii bipolarnych tranzystorów z izolowana bramką - IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor). Tranzystory takie są to półprzewodniki dużej mocy, które łączą zalety tranzystorów polowych, które są łatwe w sterowaniu oraz cechuje je wysokie napięcie przebicia z tranzystorami bipolarnymi, których zaletą jest szybka przełączalność.
Sterowanie tranzystorem IGBT odbywa się przez zmianę potencjału izolowanej bramki, co znacząco upraszcza konstrukcję falownika.

Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć
Falownik trakcyjny ELIN ETRIS S1000 (116Na/1)



Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć   Kliknij aby powiększyć
Falownik ONIX 800 (116Nd)



 
Kontener falowników i skrzynia opornika hamowania (126N)




Kontener falowników i przetwornicy pokładowej (NGT6)



Falowniki trakcyjne poza sterowaniem rozruchem realizują również hamowanie elektrodynamiczne z możliwością rekuperacji energii do sieci trakcyjnej. Przy hamowaniu elektrodynamicznym silniki trakcyjne zostają przełączone do trybu pracy prądnicowej. Produkowana przez silniki trakcyjne podczas hamowania ED energia elektryczna prądu trójfazowego jest przetwarzana przez falownik pracujący w trybie prostownika na energię prądu stałego, która w zależności od wartości aktualnego napięcia w sieci trakcyjnej jest do niej zwracana lub wytracana na opornikach hamowania.

Jak było wspomniane napęd falownikowy jest stosowany powszechnie w nowoczesnych tramwajach, jak również w pojazdach kolejowych czy też trolejbusach albo autobusach hybrydowych.
Ten typ napędu wprowadza się również do starszego typu taboru w ramach ich zaawansowanych modernizacji, wymiaeniając przy tym oczywiście dotychczasowe silniki szeregowe na silniki indukcyjne. To wpływa jednak na zwiększenie kosztów modernizacji w stosunku do opisanego wcześniej napędu chopperowego, jednak patrząc z punktu widzenia kosztów eksploatacji (utrzymania silników szeregowych) napęd falownikowy jest zdecydowanie nowocześniejszy, ekonomiczny i niezawodny.

Kliknij aby powiększyć    Skład wagonów 204WrAs

Kliknij aby powiększyć    Silnik trakcyjny indukcyjny w miejscu silnika szeregowego

Kliknij aby powiększyć    Falowniki PSM25 i opornik hamowania w miejscu rozrusznika rezyst.




Do początku strony



Powrót





Autor     |     Strona     |     Kontakt     |     Linki     |     Książka Gości    

©2004-2018 TRANSPORT SZYNOWY
www.transportszynowy.pl