transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Układy i obowody elektryczne w pojazdach > Obwody i urządzenia elektryczne w pojazdach elektrycznych

Dla pojazdów trakcji elektrycznej, czyli pojazdów elektrycznych zasilanych z zewnętrznej sieci zasilającej, obwód elektryczny pojazdu zaczyna się od odbioru energii z sieci trakcyjnej. Pierwszym podzespołem obwodu elektrycznego wysokiego napięcia jest więc odbierak prądu (kliknij tutaj i zobacz opis), który pobiera energię z sieci, która następnie jest przekazana i odpowiednio przetwarzana do zasilania napędu, sieci pokładowej oraz w przypadku lokomotyw pasażerskich również do zasilania wagonów. Pod względem stosowanych urządzeń w obwodzie wysokiego napięcia bardzo duże znaczenie ma system zasilania trakcyjnego, czyli do jakich napięć trakcyjnych pojazd jest przystosowany. Rozróżnia się pojazdy jednosystemowe i wielosystemowe. W pierwszym przypadku pojazd może być zasilany tylko jednym napięciem z sieci trakcyjnej. Wielosystemowość z kolei wymusza taką konstrukcję pojazdu, że zasilany może on być różnymi wartościami napięć trakcyjnych. Z punktu widzenia systemów zasilania rozróżnia się systemy napięć prądu stałego (3 kV i 1,5 kV) oraz napieć prądu przemiennego (25 kV 50Hz i 15 kV 16,7Hz). To wszystko wpływa bezpośrednio na konfigurację wyposażenia elektrycznego pojazdów elektrycznych.


Podział obwodów pojazdu elektrycznego dla systemu zasilania prądem stałym (sieć trakcyjna 1,5 lub 3 kV)

 


Podział obwodów pojazdu elektrycznego dla systemu zasilania prądem przemiennym (sieć trakcyjna 15 lub 25 kV)

 

 
Transformator trakcyjny dla systemów 25 kV AC i 15 kV AC z dławikiem filtra DC pod nadwoziem lokomotywy


Transformator trakcyjny dla systemu 25 kV AC w przedziale technicznym lokomotywy



Obwody WN - zabezpieczenia przed dostępem do urządzeń pod napięciem
Urządzenia WN muszą być zabudowane w sposób zabezpieczający je przed dostępem do nich gdy znajdują się pod napięciem lub gdy nie są zabezpieczone przed przypadkowym pojawieniem się na nich napięcia. Z tego powodu urządzenia WN zabudowywane są w specjalnych kontenerach / szafach lub wydzielonych przedziałach ze specjalnymi zamknięciami, zapewniającymi ochronę przed dostępem gdy są zasilane. W ramach obwodu WN zabudowywane są odłączniki główne zasilania z funkcją uszyniania (uszyniacze). Uszynianie, czyli uziemienie służy zabezpieczeniu odłączonego obwodu przed sytuacją pojawienia się na nim napięcia zasilania. Po uszynieniu, gdyby w obwodzie pojawiło się napięcie nastąpi natychmiastowe zwarcie do masy i wyłączenie zasilania przez układ zabezpieczeń zabudowany np. na podstacji trakcyjnej. Na poniższej fotografii przedstawiony jest odłącznik główny starszego typu (lokomotywa EU07). Odłącznik składa się z ramy do której zamontowany jest na łożyskach obrotowy i izolowany zewnętrzne wał ze stykami (nożami). Napęd wału poprzez układ dźwigniowy realizuje rączka dźwigni blokady połączona z układem blokady mechanicznej dostępu do strefy WN. Na wale zamontowane są 3 noże z których jeden ma dużą obciążalność prądową (1000A) i odpowiada za połączenie toru obwodu głównego WN. Pozostałe 2 lub 3 noże mają obciążalność prądową 400A i służą do połączenia uziemiającego obwodów pomocniczych WN.
Do ramy, pod wałem z nożami przymocowany jest nieruchomy izolowany zewnętrznie pręt, na którym zamontowane są szczęki odłącznika. Ilość szczęk odpowiada ilości noży. Szczęki te poprzez zaciski kablowe połączone są z szyną zbiorczą uszynienia lokomotywy na ostoi, która to z kolei połączona jest z szczotkami uszyniającymi na kadłubach łożysk osiowych (maźnicach). Nad wałem obrotowym noży, do ramy odłącznika zamontowane są dwa nieruchome, izolowane zewnętrznie pręty. Na jednym zamontowane są zaciski kablowe instalacji WN lokomotywy. Zaciski te połączone są odpowiednio elastycznymi połączeniami w postaci taśm miedzianych z odpowiednimi stykami (nożami) odłącznika. Na drugim pręcie zamontowana jest szczęka noża toru głównego obwodu wysokiego napięcia, połączona zaciskiem z kablami przyłączonymi do dachowej szyny prądowej odbieraków prądu.


Kliknij aby powiększyć   
Odłącznik główny OGWA-1000 (opis na pow.)


Kliknij aby powiększyć   
Schemat połączeń odłączników głównych obwodów WN (opis na powiększeniu)


W produkowanych obecnie pojazdach stosuje się zintegrowane, modułowe odłączniki główne. Przestawienie rękojeści na pozycję "uszynienie" analogicznie jak w powyższym rozwiązaniu powoduje rozwarcie styków i odcięcie obwodu głónego lokomotywy od odbieraków prądu oraz uszynienie obwodów WN pojazdu. Uszyniany jest oczywiscie obwód głowny oraz wszystkie obwody pomocncize. Przykład takiego odłącznika przedstawiają poniższe fotografie.


Szafa rodzielni WN z odłącznikiem głównym (uszyniaczem) w przedziale technicznym lokomotywy

 
Rękojeść odłącznika głównego (uszyniacza) w pozcjach: załączony / odłączony i uszyniony



Mechanizm ze stykami odłącznika głównego


Uszyniane są wszystkie obwody WN.
Jednak, aby można było przestawić odłącznik główny i odłączyć oraz uszynić obwody WN pojazdu muszą być spełnione określone warunki układu zależnościowego. Układ zależnościowy to układ zabezpieczający, zapewniajacy możliwość dostępu do stref wysokiego napięcia, gdy spełnione są wszystkie warunki bezpieczeństwa.

W starszego typu pojazdach aparatura WN zabudowana jest najczęściej w wydzielonych strefach przedziału maszynowego lub w szafach WN. Aby dostać się do tych miejsc, trzeba przestawić w odpowiedniej kolejności układ ryglujących się i wzajemnie uzależnionych blokad w postaci mechanicznych rygli, cięgien, zapadek i zaworów pneumatycznych. Poniżej przykład z popularnego elektrowozu serii EU07.

Kliknij aby powiększyć   
Tylna ściana kabiny EU07 z drzwiami do przedziału WN i blokadami (opis na pow.)

Kliknij aby powiększyć   
Szafy wysokiego napięcia z oporonkami rozruchowymi w głównym korytarzu lokomotywy zabezpieczone mechanizmami ryglującymi 


Na ścianie tylnej kabiny w pobliżu drzwi do przedziału WN znajduje się trzpień napędowy kurka powietrznego blokady, którego obrócenie o 90 stopni w położenie "O" powoduje odcięcie siłowników obydwu odbieraków prądu (pantografów) od układu zasilania powietrznego oraz ich połączenie z atmosferą. W wyniku tego jeżeli odbieraki prądu nie zostały wcześniej opuszczone to samoczynnie opadają tracąc połączenie elektryczne z siecią trakcyjną. Odcięcie ich od zasilania powoduje, że nie ma ryzyka, że przypadkowo samoczynnie się podniosą. Jednocześnie odryglowana zostaje rączka głównej blokady WN. Do obrócenia trzpienia blokady służy odejmowany klucz nastawnika kierunku jazdy, wykorzystywany do wyboru kierunku jazdy.

Kliknij aby powiększyć   
Trzpień napędu kurka blokady

Rąkojeść blokady zabudowana jest w ścianie oddzielającej przedział WN od przedziału maszynowego. Jest ona sprzęgnięta mechanicznie z odłącznikiem głównym WN (uszyniaczem) oraz z układem ryglowania pokryw szaf przedziału WN. Aby przełożyć rączkę blokady głównej w położenie wyłączone należny najpierw założyć użyty wcześniej odejmowany klucz nastawnika kierunku jazdy na trzpień zapadki znajdujący się nad rączką blokady głównej. Obrócenie klucza do pozycji zwolnienia zapadki umożliwia przełożenie rączki blokady głównej. W wyniku powyższych czynności następuje odłączenie odłącznika głównego (uszyniacza) oraz zdjęcie blokady uniemożliwiającej odryglowanie pokryw rewizyjnych.

Kliknij aby powiększyć   
Rączka blokady głównej i trzpień zapadki (opis na powiększeniu)


Do odryglowania pokryw rewizyjnych szaf WN służą ręczne dźwignie napędowe połączone mechanicznie z zamknięciami (ryglami) poszczególnych pokryw. Szafy WN i oporników rozruchowych, znajdujące się z danej strony przedziału maszynowego posiadają jedną dźwignię napędowa do odryglowywania wszystkich zamknięć pokryw rewizyjnych tych szaf.
Aby otworzyć drzwi do przedziału WN należy jeszcze odejmowanym kluczem nastawnika kierunku jazdy zwolnić blokadę drzwi poprzez obrócenie trzpienia blokady, który znajduje się nad drzwiami w tylnej ścianie kabiny. Trzpień ten w wyniku poprzednich czynności zostaje zwolniony i możliwe jest jego obrócenie.

Kliknij aby powiększyć    Trzpień blokady drzwi przedziału WN

Kliknij aby powiększyć    Układ dźwigniowy rygla blokady drzwi


Kliknij aby powiększyć   
Schemat kolejności odryglowywania drzwi przedziału WN


Aby ponownie podłączyć lokomotywę lokomotywę do zasilania WN należy powyższe blokady zamykać w kolejności odwrotnej. Przy otwartych drzwiach lub pokrywach rewizyjnych przełączenie rączki blokady głównej oraz trzpienia blokady pantografów nie jest możliwe, gdyż są mechanicznie zablokowane przez mechanim zależnościowy. 

Szczegółowy opis układu mechanicznego blokad zawarty jest w rozdziale omawiajacym budowę lokomotyw serii EU06/07 i pochodnych - kliknij tutaj aby zobaczyć.

W nowoczesnych pojazdach nie stosuje się już skomplikowanych układów mechanicznych do zabezpieczania dostępu. Omówiony wyżej proces realizuje się przez zastosowanie multiplikatora kluczy. Poszczególne urządzenia, czy aparaty wchodzące w proces zabezpieczenia obwodu WN wyposażone są w gniazda dla dedykowanych kluczy. Poniżej opisuję przykładowy układ zależnościowy. Po opszczeniu pantografów i wizualnym sprawdzeniu, że są w położeniu dolnym, wyłącza się pojazd według określonych zasad. Następnie  wyjmuje się klucz ze stacyjki w pulpicie (lub innej lokalizacji) i umieszcza się go w gnieździe zamka odcinania odbieraków prądu. Po przekręceniu klucza pantografy zostają odcięte od zasilania pneumatycznego. Przekręcenie klucza pulpitowego pozwala na wyjęcie klucza blokady pantografów. Tym samym klucz pulpitowy zostaje zablokowany i jego wyjęcie będzie możliwe dopiero, gdy klucz od blokady pantografów wróci do swojego gniazda. Mając klucz od blokady pantografów można przejść do panelu z odłącznikiem głównym (uszyniaczem), na którym znajduje się  wolne gniazdo klucza oraz zestaw kluczy do otwierania szaf z urządzeniami wysokiego napięcia. Ilość kluczy jest zależna od ilość miejsc wyposażonych w zamknięcia. Po włożeniu klucza blokady pantografów do wolnego gniazda i jego przekręceniu możliwe jest przestawienie rękojeści odłącznika głównego na pozycję „odłączony i uszyniony”, co z kolei blokuje klucz blokady pantografów oraz daje możliwość wyjęcia pozostałych kluczy. Klucz blokady pantografów zostaje zablokowany do czasu, aż rękojeść odłącznika nie zostanie przestawiona na pozycję załączenia obwodu WN, po wcześniejszym umieszczeniu w zamkach wszystkich kluczy poszczególnych blokad stref wysokiego napięcia. Powrót wszystkich kluczy do gniazd na panelu odłącznika potwierdza, że wszystkie szafy zostały zamknięte.

W omówiony sposób zapewnione jest odpowiednie zabezpieczenie dla personelu obsługującego. Warto na poniższych zdjęciach zwrócić uwagę, że klucze od danych blokad mają różne kolory rękojeści tak, by łatwo identyfikować, który klucz jest do którego zamka. W omawianym przykładzie w stacyjce pulpitowej jest klucz żółty, który umieszcza się w gnieździe tablicy blokady pantografów. Wtedy wyjmuje się z klucz niebieski, który po włożeniu do gniazda przy odłączniku głównym i przestawieniu jego rękojeści, pozwala wyjąć czarne klucze odryglowujące szafy elektryczne WN.


Klucz w stacyjce pulpitowej



Tablica z blokady pantografów - klucz niebieski jest zablokowany w związku z brakiem w gniedzie klucza z pulpitu


 
Klucze na panelu odłącznika głównego (niebieski klucz z tablicy blokady pantografów, czarne klucze do otwarcia szaf WN) oraz układ
mechanicznych zapadek zależnościowych multiplikatora




Zamki w jednej z szaf szaf WN na czarne klucze

Nie zawsze pojazd ma stacyjkę kluczową na pulpicie. Ilość kluczy może być więc ograniczona i kluczowy układ zależności zaczyna się na przykład od klucza blokady odbieraków prądu. Poniżej przykłady odłącznika głównego z multiplikatorem, w których ilość kluczy jest znacznie mniejsza niż we wcześniej opisywanym przykładzie. Taka sytuacja ma miejsce również np. ze względu na mniejszą ilość stref WN, które trzeba zabezpieczyć. Trzecie zdjęcie przezentuje gniazdo z kluczem blokady pantografów z układu zależnościowego, zlokalizowane na tablicy jednej z szaf przedziału technicznego.

   
Odłączniki główne i klucz blokady pantografów w szafie technicznej


Omawiane zabezpieczenia oczywiście nie dotyczą tylko stref WN dostępnych z wnętrza pojazdu. Jeżeli przykładowo kontenery z urządzeniami zasilanymi z obwodu WN znajdują się np. na dachu czy pod nadwoziem, to również one mają w swojej konstrukcji zastosowane zamki z układu multiplikatora kluczy.

Poniżej zdjęcia z kontenera rozdzielni WN, zabudowanego pod nadwoziem, z panelem mechanicznej blokady w postaci dźwigni blokady pantografów oraz dźwigni odłącznika głównego, pod którą znajdują się klucze układu zależnościowego do otwierania poszczególnych kontenerów WN.  

    
Kontener rozdzielni WN (na czerwono zaznaczona pokrywa dostępu do odłącznika, a na zielono zamki kluczy otwarcia stref WN kontenera)

 
Panel blokady mechanicznej odłącznika i instrukcja postępowania (na czerwono zaznaczony fragment dotyczący bezpośrednio zabezpieczania obwodów WN)

Gdy obwód WN jest prawidłowo zabezpieczony można przystąpić do prac przy urządzeniach zasilanych wysokim napięciem.



Zabezpieczenia obwodów WN przed przepięciami, zwarciami i przeciążeniami
Obwody wysokiego napięcia są zabezpieczone przed skutkami zwarć i przeciążeń jak i przepięć jakie mogą w nich wystąpić podczas eksplaotacji. Do zabezpieczenia obwodów WN w pojazdach trakcyjnych w zakresie przepięć stosuje się odgromniki, czyli urządzenia działajace na zasadzie warystorów, które służą do zabezpieczenia wyposażenia elektrycznego pojazdu przed nagłym skokiem napięcia w sieci trakcyjnej spowodowanym np. wyładowaniem atmosferycznym lub przepięciami wpowstałymi z innych powodów. 

 
Odgromik i kondensator odgromowy w pojazdach starego typu (opis na powiększneiu)


 
Nowoczesny odgromnik zaworowy

W zakresie zabezpieczeń związanych z przeciążeniami lub zwarciami w pojazdach zasilanych w systemie prądu stałego stosuje się wyłączniki szybkie natomiast dla pojazdów systemu prądu przemiennego - odłączniki próżniowe. Warto zaznaczyć, że prąd stały jest o wiele trudniejszy w rozłączaniu od prądu z napięciem przemiennym. Stąd też sama budowa zabezpieczeń jest znacząco różna. Wylączniki szybkie są znacznie bardziej skomplikowane i większe od odłączników próżniowych.

Wyłączniki szybkie
Są to aparaty stanowiące główne zabezpieczenie obwodów elektrycznych pojazdu. Wyłącznik szybki w obwodzie WN znajduje się zasadniczo za odłącznikiem głównym, a przed rozdzielnią wysokiego napięcia. Podczas uruchamiania pojazdu, po podniesieniu odbieraków prądu, należy załączyć wyłącznik szybki, w celu załączenia zasilania obwodu WN napięciem z sieci trakcyjnej. W nowoczesnych pojazdach po podniesieniu odbieraków prądu uruchamia się proces przygotowania do załączenia WS. Sprawdzany zostaje stan wyłącznika, stan naładowania baterii akumulatorów oraz wartość napięcia w sieci trakcyjnej. Jeżeli wszystkie parametry są prawidłowe, to główny sterownik pojazdu zgłasza gotowość do załączenia wyłącznika. Po jego załączeniu odpowiednim manipulatorem na pulpicie, napięcie sieciowe zostaje podane na dalszą część obwodów wysokiego napięcia w wyniku czego mogą być uruchomione przetwornice pokładowe (a więc zasilanie sieci pokładowej, w tym ładowanie akumulatorów) oraz napęd i inne odbiorniki zasilane wysokim napięciem.

 
Manipulatory i lampki sygnalizacyjne sterowania WS na pulpicie


Wyłącznik szybki jest bezpiecznikiem obwodu WN i odcina zasilanie gdy prąd w obwodzie przekroczy nastawę graniczną. Automatyczne wyłączenie wyłącznika szybkiego nastąpi gdy w obwodzie wysokiego napięcia wystąpi zwarcie lub przeciążenie, nastąpi zanik napięcia w sieci trakcyjnej. Zasadniczo również opuszczając pantografy następuje najpierw wyłączenie wyłącznika, tak by opuszczanie odbieraka prądu odbywało się w trybie bezprądowym. Za wyzwolenie wyłącznika szybkiego odpowiada wyzwalacz nadprądowy na skutek przekroczenia nastawy granicznej czy zadziałania układów zabezpieczających obwód główny takich jak np. zabezpieczenia różnicowoprądowe. Można też WS wyłączyć manualnie manipulatorem z pulpitu maszynisty. W działaniu wyłączników szybkich najistotniejszym parametrem jest czas rozłączania.  Czas ten zawiera się w okresie od momentu przekroczenia nastawy wyzwalacza wyłącznika do momentu pełnego wyłączenia obwodu. Im ten czas jest dłuższy, tym zachodzi większe ryzyko uszkodzeń w obwodzie, w którym doszło do zwarcia. Ze względu na to, że styki wyłącznika mogą być otwierane podczas poboru prądu o dużej wartości, to aparaty te wyposażone są w odpowiednio zaprojektowane komory do gaszenia łuków elektrycznych, które powstają pomiędzy rozwierającymi się stykami. Pełne rozłączenie obwodu następuje dopiero po wygaszeniu łuku, stąd rozwiązania w komorach gaszeniowych, przyspieszające szybkość wygaszania łuków są bardzo istotne. W typowych wyłącznikach szybkich, czyli wyłącznikach magnetowydmuchowych powstały łuk wypychany jest do komory łukowej na skutek zadziałania sił elektrodynamicznych wspomaganych polem magnetycznym tworzonym przez cewkę wydmuchową.

   
Wyłącznik szybki oraz kontener wyłącznika szybkiego na dachu EZT (opis na powiększeniu)



 

Szafa rozdzielni WN lokomotywy z przestrzenią wyłącznika szybkiego i widoczna komora gaszenia i wydmuchu łuku elektrycznego wyłącznika

 
Wyłacznik szybki starszego typu (EP09) z napędem elektropneumatycznym; na dole napęd ze stykami, a u góry (czerwone) komora gaszenia łuku elektrycznego


W przypadku wyłączników próżniowych przerywanie przepływu prądu i gaszenie łuku odbywa się poprzez wytworzenie przeciwprądu i wykorzystanie próżni. Źródłem przeciwprądu jest kondensator komutacyjny ładowany z pomocniczego układu ładowania. Główna komora próżniowa odpowiada za wyłączanie prądu w obwodzie natomiast załączenie przeciwprądu realizowane jest przez komorę pomocniczą. Właściwe działanie wyłącznika zależy od prawidłowej synchronizacji pracy powyższych komór. Gdy swoje styki zamyka komora pomocnicza, to komora główna powinna mieć rozwarte styki na określoną odległość, co umożliwi przepływ przeciwprądu i sprowadzenie wartości prądu zwarcia do wartości zero. Przy tak szybkim rozłączaniu prądu występuje z reguły duże przepięcie, stąd wyłączniki próżniowe wyposażone są w układ ograniczników przepięć, zapewniający prawidłową pracę urządzeniom w obwodzie WN.


Wyłącznik szybki próżniowy pod nadwoziem EZT

 

Rozdzielnie wysokiego napięcia
Jak było wspomniane wcześniej w obwodach WN wyróżniamy obwód główny WN do zasilania napędu pojazdu oraz obwód pomocniczy WN do zasilania urządzeń nietrakcyjnych wykorzystujących do zasilania energię z sieci trakcyjnej. Rozdzielanie obwodów wysokiego napięcia realizowane jest najczęściej w ramach tzw. rozdzielni wysokiego napięcia (RWN). Rozdzielnie te dzięki zabudowanym w nich podzespołom realizują funkcje związane ze sterowaniem zasilania odbiorników obwodów głównych i pomocniczych. W nowoczesnych rozdzielniach znajdują się na przykład bezpieczniki, styczniki i oporniki układu wstępnego ładowania przekształtników trakcyjnych i przetwornic pokładowych, styczniki liniowe uruchamiania przekształtników trakcyjnych i przetwornic, układy przekaźników nadmiarowo-prądowych i różnicowo-prądowych, czy też  styczniki i zabezpieczenia układu zasilania składu pociągu.
Rozdzielnie mogą być niezależnymi strefami / kontenerami lub mogą w ramach kontenera integrować zarówno strefę rozdzielania i sterowania zasilaniem jak i omówione wcześniej odłączniki główne i wyłączniki szybkie. W rozdzielniach mogą być również montowane liczniki energii elektrycznej. Konfiguracja i lokalizacja wyposażenia jest zależna od rodzaju pojazdu i dostępności miejsca, czy też rozkładu mas w nadwoziu. W nowoczesnych lokomotywach grupuje się komponenty w zintegrowanych kontenerach. W elektrycznych zespołach trakcyjnych, w których główną strefą pojazdu jest przestrzeń pasażerska, ze względu na ograniczoną ilość miejsca, konieczne jest rozproszenie podzespołów. W efekcie, w innym miejscu może być rozdzielnia, a w innym wyłącznik szybki itd. Najczęściej jednak odłącznik główny (uszyniacz) jest zlokalizowany w ramach lub w pobliżu rozdzielni WN.



Przykładowy kontener RWN

 

 
Przykładowa rozdzielnia - widoczny stycznik, opornik i bezpieczniki układu ładowania oraz wewnętrzny transformator



Licznik energii


Poniżej jest zamieszczony uproszony schemat obwowdów WN pojazdu zasilanego z sieci prądu stałego, ze wskazaniem powyżej opisanych składowych.


Uproszczony schemat obwodów WN (lokomotywa czteroosiowa, pasażerska z napędem impulsowym)
ODŁ – odłącznik odbieraka prądu
ODG - odgromnik
US – odłącznik główny (uszyniacz)
PN – układ pomiaru napięcia w sieci
WS – wyłącznik szybki
FT - falownik
RH - rezystor hamowania
PP - przetwornica pokładowa
ST - silnik trakcyjny
SO - stycznik załączania zasilania wagonów

W ramach poniższego opisu nie omawiam podespołów realizujących napęd pojazdu, czy to z zakresu rozruchu oporowego, czy nowoczesnych przekształtników napędu impulsowego. Podzespoły te opisane są w dziale napędów trakcyjnych. Kliknij tutaj i zobacz opis elektrycznych napędów i silników trakcyjnych. Zobacz również opis odbieraków prądu - tutaj.


Odłącznik odbieraka prądu (automatyczny)

Obwód główny zasila napęd pojazdu. Głównym odbirnikiem energii z obwodu pomocniczego WN jest przetwornica pokładowa, czyli urządzenie przekształcające napięcie z sieci trakcyjnej na napięcia wykorzystywane w ramach obwodów niskich napięć, czyli sieci pokładowej.

Przetwornice pokładowe i sieć pokładowa (obwody NN)

Przetwornice pokładowe
W starego typu pojazdach są to najczęściej maszyny elektryczne (tzw. przetwornice wirujące) w formie jednomaszynowej lub zespołów dwumaszynowych, które składają się z silnika zasilanego napięciem z obwodu pomocniczego WN (czyli energią z sieci trakcyjnej) i prądnicy prądu stałego, generującej napięcie o wartości jaka została przewidziana do zasilania odbiorników pokładowych w tym ładowania baterii akumulatorów pojazdu. W większości takich pojazdów jest zastosowana jedna wartość napięcia w zakresie obwodów pomocniczych - najczęściej 110 V DC.
Prądnice jednomaszynowe wykonywane są układzie dwuuzwojeniowym, czyli na wspólnym wale zabudowany jest wirnik z uzwojeniami silnika oraz wirnik z uwojeniami prądnicy. W korpusie stojana zabduowwane są odpowiednio uzwojenia wzbudzania, bieguny silnika i bieguny prądnicy.


Przetwornica wirująca jednomaszynowa (ET21)

W układach dwumaszynowych silnik i prądnica stanowią niezależne maszyny elektryczne połączone np. przekładnią pasową.


Przetwornica wirująca dwumaszynowa (EP09)

 

Powyższe przetwornice zintegrowane są z wentylatorem chłodzenia silników trakcyjnych. W układzie tym silnik napędza prądnicę, ale również wentylator. To bardzo często stosowane rozwiązanie. Bez pracującej, przetwornicy nie są ładowane akumulatory. Chłodzenie silników generuje hałas, który jest niekomfortowy dla maszynistów, ale jazda bez włączonej przetwornicy powoduje rozładowywanie akumulatorów, czego efektem może być brak zasilania pokładowego, a więc i brak możliwości jazdy. W celu zapobiegania zakłóceń pracy tych maszyn elektrycznych, pochodzących przykładowo od wahań ich obciążenia, w ich obwód włączony jest specjalny transformator sprzęgający.
Można też spotkać układy przetwornic wirujących, w których jeden silnik napędza dwie prądnice, z których jedna zasila sieć pokładową, a druga odpowiada przez układ regulacyjny za ładowanie baterii akumulatorów.
W korpusach stojanów omawianych maszyn elektrycznych znajdują się kratki wentylacyjne, a na wirnikach zabudowane są wentylatory, które służą do chłodzenia uzwojeń pracującej przetwornicy.  
W związku z tym, że prezentowane przetwornice składają się z maszyn elektrycznych prądu stałego (silnik szeregowy obcowzbudny i prądnica bocznikowa obcowzbudna) to na wirnikach zabudowane są komutatory, a w korpusach szczotkotrzymacze ze szczotkami węglowymi, przekazującymi energię elektryczną na komutator wirnika.  


Komutator na wirniku i szczotokotrzymacz w korpusie maszyny elektrycznej


Omówiony powyżej rodzaje przetwornic od początku istnienia układów elektrycznych w taborze kolejowym był stosowany w pojazdach trakcyjnych. Najczęściej zabudowywano w pojeździe dwie przetwornice w celu zapewnienia redundancji oraz na przykład w celu rozdziału zasilania danych obwodów sieci pokładowej. Przykładowo w elektrowozach serii EP09 jedna przetwornica służy do ładowania baterii akumulatorów, a druga do wzbudzania stojanów silników trakcyjnych na czas hamowania elektrodynamicznego. W innym przypadku jedna może ładować akumulatory, a druga zasilać sieć pokładową. Zastosowywanie w sieci pokładowej tylko jednej wartości napięcia prądu stałego (110 V lub rzadziej np. 48 V) powodowało, że wszystkie urządzenia musiały być dostoswane do zasilania prądem stałym. Czyli powszechnie stosowano silniki prądu stałego do realizacji napędów pomocniczych takich jak np. sprężarki, wentylatory oporników rozruchowych itp. Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowych i stosowania w taborze do napędów pomocniczych silników indukcyjnych (asynchronicznych) oraz zwiększającym się zapotrzebowaniem na moc odbiorników pokładowych (klimatyzacja, systemy pokładowe, gniazdka elektryczne dla pasażerów itp. rozpoczęła się era rozbudowy sieci pokładowych o napięcia prądu przemiennego w tym napięcia trójfazowe. Zastosowanie w obwodach pomocniczych napięcia 3x400V AC (określanego czasem pod względem wartości jako obwodów średniego napięcia – tzw. siła) poza aspektami możliwości stosowania nowoczesnych rozwiązań w zakresie sterowania i zasilania odbiorników, wpłynęło również na aspekty związane z bezpieczeństwem i ograniczeniem ilości obwodów wysokiego napięcia. W starszego typu pojazdach, ze względu na brak innej możliwości, układy ogrzewania kabin, czy przedziałów pasażerskich były zasilane z obwodu wysokiego napięcia. Wprowadzenie napięcia przemiennego 3x400 V w ramach obwodów NN umożliwiło zasilanie np. urządzeń klimatyzacyjnych i grzewczych właśnie prądem trójfazowym. Wpłynęło to jednocześnie na zmniejszenie wartości prądów w obwodach, na zmniejszenie przekroju przewodów oraz eliminację zabezpieczeń koniecznych przy wysokim napięciu. 

 

Rozwój technologii półprzewodnikowych spowodował, że obecnie całkowicie odeszło się od zabudowy w pojazdach przetwornic wirujących z maszynami prądu stałego. W ich miejsce powszechnie stosuje się nowoczesne przetwornice pokładowe oparte o układy półprzewodnikowe (tyrystory lub powszechnie tranzystory). Układy te służą do przetwarzania energii elektrycznej WN z obwodu głównego na napięcia pokładowe, które wykorzystywane są w danym pojeździe. Najprostsze przetwornice generują jedno napięcie wyjściowe o wartości np. 24 V, 36 V lub 110 V prądu stałego. Napięcie prądu stałego jest cały czas zasadniczym napięciem pokładowym. Wszystkie pojazdy wyposażone są w baterie akumulatorów, które umożliwiają uruchomienie pojazdu i działanie poszczególnych układów i systemów zasilanych niskim napięciem prądu stałego  przy niepracujących przetwornicach (brak zasilania WN). Napięcia przemienne są dostępne dopiero gdy uruchomione zostaną przetwornice.  Zaawansowane przetwornice transformują napięcie wejściowe na kilka rodzajów napięć czyli np. na napięcie o wartości: 24 V prądu stałego i 3 x 400 V (trójfazowy prąd przemienny). W przypadku, gdy pojazd jest wyposażony w gniazdka elektryczne dla pasażerów i obsługi to dodatkowo przetwornica może również na jednym z wyjść dawać zasilanie napięciem 230 V prądu przemiennego. Najbardziej zaawansowane przetwornice przetwarzają napięcie wejściowe na przykładowo aż cztery napięcia wyjściowe: 24 V DC, 110 V DC, 230 V DC i 3 x 400V AC. Wszystko zależy od rodzaju pojazdu i typu zastosowanych na nim podzespołów, układów i systemów.

 

     
Przykładowe przetowrnice statyczne



Przykładowy schemat przetwornicy statycznej 3000 V DC / 3x400 V AC, 110 V DC i 24 V DC
B - bezpiecznik zasilania WN
1 - układ łagodnego startu (rezystor i styczniki)
2 - filtr napięcia wejściowego (dławik)
3 - przetwornica pośrednicząca DC/DC
4 - przetworncia DC/DC napięcia wyjściowego 110 V do zasilania obwodów DC i ładowania baterii akumulatorów
5 - falownik napięcia wyjściowego 3 x 400 V
6 - prostownik napięcia z gniazda zasilania zewnętrznego (zasilanie peronowe)
7 - przetwornica DC/DC napięcia wyjściowego 24 V
K1, K2 - styczniki układu startu przetwornicy
K3 - stycznik obwodu wyjścia 3 x 400 V
K4 - stycznik obwodu zasilania zewnętrznego 3 x 400 V


Poniżej przykład tabliczki znamionowej zespołu przetwornic pokładowych z lokomotywy elektrycznej. Napięcia wyjściowe przetwornicy to: 3 x 400 V AC i 230 V AC. Przetwornica ta nie wytarza zasadniczego napięcia pokładowego NN prądu stałego, gdyż to realizują zasilacze buforowe zasilane napieciem 3 x 400 V AC. Warto zwrócić uwagę, że napieciem wejściowym omawianej prrzetwornicy nie jest napięcie sieciowe z obwodu WN lecz napięcie przekstałcone wcześniej do wartości 600 V DC. Taki układ był podyktowany między innymi koniecznością ograniczenia gabarytów poszczególnych modułów układów przetwarzania energii.


Tabliczka znamionowa z danymi przykładowej przetwornicy

 

Poniżej przykład przetwornicy zasilanej napięciem WN i transformującej napięcie wejściowe na trójfazowe napięcie pośrednie przez falownik. Napięcie to następnie jest przekazywane na zewnętrzny transformator, który przekształca je na wyjściowe napięcie 3x400 V wykorzystywane do zasilania obwodów pokładowych. Taki układ podyktowany był mocą zastosowanej przetwornicy i wynikającymi z niej gabarytami poszczególnych modułów. Brak miejsca w pojeździe na tak duże moduły spowodował konieczność podziału układu przetwarzania energii na dwa zespoły. W pojeździe, w którym zastosowano ten układ oczywiście występują obwody pokładowe zasilane napięciem prądu stałego w tym baterie akumulatorów. Napięcie to jest przetwarzane na specjalnych zasilaczach AC/DC, które przetwarzają napięcie 3x400V z przetwornicy na napięcie 24 V DC, do zasilania odbiorników prądu stałego i ładowania baterii akumulatorów.


Przykładowy schemat przetwornicy statycznej 3000 V DC / 3x400 V AC z zewnętrznym transformatorem
B - bezpiecznik zasilania WN
1 - układ łagodnego startu (rezystor i styczniki)
2 - kondensator - filtrowanie zakłóceń napięcia
3 - falownik 
4 - filtr napięcia (dławik)
TR - transformator
K1, K2 - styczniki układu startu przetwornicy
K3 - stycznik obwwodu wyjścia 3 x 400 V
K4 - stycznik obwodu zasilania zewnętrznego 3 x 400 V


Transformatory przetwornic pokładowych na dachach członów EZT

Podczas projektowania pojazdu istotne jest obliczenie bilansu mocy, czyli jakie będzie zapotrzebowanie na moc elektryczną w zakresie sieci pokładowej. Zauważmy, że w pojazdach przybywa wyposażenia elektrycznego i odbiorników energii. Z sieci pokładowej (obwodów NN) zasilane są urządzenia sterowania i kontroli, systemy informatyczne, silniki napędów pomocniczych np. od sprężarek, czy wentylatorów chłodzących, urządzenia klimatyzacyjne, urządzenia grzewcze, oświetlenie wewnętrzne i zewnętrze, urządzenia automatyki bezpieczeństwa jazdy, systemy informacji pasażerskiej w tym monitory i wyświetlacze, gniazdka elektryczne, napędy drzwi itd. Z przetwornic ładowane są również baterie akumulatorów poprzez specjalne zasilacze, czy inne układy regulacji ładowania. Przetwornice dobiera i projektuje się tak, aby miały nadwyżkę mocy. Bardzo często stosuje się w pojazdach przynajmniej dwie przetwornice, które połączone są redundantnie. Zasadniczo pracują równolegle, ale przy awarii jednej z nich druga może przejąć zasilanie całej sieci pokładowej pojazdu, najczęściej z pewnymi ograniczeniami dotyczącymi pobieranej mocy. Oznacza to, że część urządzeń, układów, czy systemów, które nie mają wpływu na bezpieczeństwo eksploatacji pojazdu zostaje wyłączona lub zmniejszona zostaje ich moc.
Stopień skomplikowania obwodów i podzespołów przetwarzania energii jest zależny od zapotrzebowania na moc wyjściową oraz na wspomnianą wcześniej dostępność miejsca na poszczególne moduły w strukturze pojazdu.

Analogicznie jak w przetwornicach wirujących, przetwornice statyczne wymagają chłodzenia ze względu na nagrzewanie się elementów półprzewodnikowych. W obudowach przetwornic zabudowywane są układy chłodzenia wymuszonego najczęściej z wykorzystaniem powietrza z wntylatorów. Wentylatory te zasilane są przez wewnętrzne obwody przekształtnikowo-sterujące.


Przykładowy, uproszczony schemat sieci pokładowej NN
PP1 i PP2 - przetwornice pokładowe
M3~ - silniki asynchroniczne trójfazowe napędów pomocniczych
Z1, Z4 - zasilacz (buforowy) sieci pokładowej 24 V DC
Z2, Z3 - zasilacz (buforowy) ładowania baterii akumulatorów
BAT - baterie akumulatorów
S-PN - styczniki przełączania napięć (reduntancja)
S-BAT - stycznik baterii (uruchamianie zasilania)
O-BAT - odłącznik baterii i bezpiecznik


 
Przykładowe zasilacze (buforowe) sieci pokładowej i ładowania baterii akumulatorów

Powyższe zasilacze pokazane mogą być zabudowane jako niezależne urządzenia, ale są również montowane w ramach kontenerów czy to przetwornic pokałdowych, a nawet przekształtników trakcyjnych, w ramach zintegrowanej zabudowy wyposażenia. Poniżej zestawienie wyposażenia kontenrera przekształtnika właśnie z układem ładowania baterii akumulatorów. Kontener zawiera:
- moduł urchamiania falownika,
- moduł ładowania baterii,
- układ wentylacji,
- falownik trakcyjny,
- przetwornicę pomocniczą,
- układ sterowania i sieć komunikacyjną.


Przetwornice pokładowe znajdują się również w wagonach pasażerskich, realizując zasilanie sieci pokładowej (obwodów NN) w tym ładowanie baterii akumulatorów wagonu. Zasada ich działania jest analogiczna do powyżej opsianych. Różnica może wystąpić w odniesieniu do napięć zasilania wejściowego. Wagony zasilane są energią elektryczną doprowadzaną do nich z pojazdu trakcyjnego za pośrednictwem układu zasilania wagonów. W zależności od systeów zasilania do jakich przystosowany jest pojazd trakcyjny, to zasila gniazda układu zasilania wagonów daną wartoscią napiecia zgodnie z przepisami UIC. Z tego powodu w wagonach spotkamy przetwornice jednonapięciowe, które mogą być zasilane tylko jedną wartością napiecia, lub przetwornice wielonapięciowe, które mogą być zasilane różnymi wartościami napięć. Przetwornica wielonapieciowa automatycznie wykrywa napięcie zasilania i przełącza się do takiego trybu pracy, by właściwie przekształcić napięcie danego systemu na napięcie(a) pokładowe wagonu. Więcej informacji tutaj.

 


Dławiki filtrów napięcia sieciowego

Nowoczesne urządzenie enrgoeletroniczne wymagają zapewnienia prawidłowych parametrów zasilania ze względu na to, że mogą być czułe na zakłócenia, które mogą wystąpić w układach zasilania. Z tego powodu w obwodach jak i samych urządzeniach stosuję się różne filtry oraz mierniki napięcia mające na celu "czyszczenie" napięcia z ewentualnych zakłóceń.
Poniżej przykłady dławików filtrów sieciowych, stosowanych w elektrycznych pojazdach szynowych. Dławiki te mogą być dedykowane jako filtry wejściowe konkretnych urządzeń lub danego obwodu.


Przykładowa konfiguracja dławików filtra sieciowego w obwodzie głównym WN
DL1, Dl2 - dławiki

   
Dławiki pod nadwoziem EZT oraz na dachu EZT




Podsumowanie
Poniżej zamieszczony jest uproszczony schemat obwodów i wyposażenia elektrycznego pojazdu trakcyjnego współczesnej produkcji.

 


Przykłdowy, uproszczony schemat obwodów elektrycznych elektrycznego zespołu trakcyjnego - system prądu stałego
ODŁ – odłącznik odbieraków prądu
US – odłącznik główny (uszyniacz)
PN – układ pomiaru napięcia w sieci
WS – wyłącznik szybki
FT – falownik trakcyjny
RH – rezystor hamowania
PP – przetwornica pokładowa
ZB – zasilacz buforowy
AKU – bateria akumulatorów
ST – silniki trakcyjne

 



Przykładowe rozmieszczenie wyposażenia obwodów WN pod nadwoziem EZT (opis na powiększeniu)

 


Przykładowy przedział techniczny (maszynowy) lokomotywy elektrycznej

Przykładowe rozmieszczenie wyposażenia obwodów WN na dachu EZT (opis na powiększeniu)