transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Układy i obowody elektryczne w pojazdach > Układy zasilania wagonów energią elektryczną

Wagony pasażerskie i towarowe są pojazdami doczepnymi w związku z czym energia elektryczna potrzebna do zasilania ich wyposażenia musi być do nich dostarczona z zewnętrznego źródła czyli pojazdu trakcyjnego. W zakresie wagonów towarowych zasilanie energią elektryczną dotyczy oczywiście tylko pojazdów, które posiadają na swoim pokładzie wyposażenie elektryczne czyli np. wagony typu chłodnie, w których agregaty urządzeń chłodniczych wymagają zasilania prądem elektrycznym. W zakresie wagonów pasażerskich konwencjonalnych ich wyposażenie w obwody elektryczne jest standardem. W celu zasilania wagonów energią elektryczną wyposaża się je w szynę zbiorczą zgodną z kartą UIC 552, czyli w główny przewód zasilania elektrycznego WN. Jeżeli chodzi o pojazdy trakcyjne to w układy zasilania składu pociągu mogą być wyposażone zarówno pojazdy elektryczne jak i spalinowe. Zastosowanie omawianego układu nie jest obowiązkowe w zakresie pojazdów trakcyjnych, jednak jego brak wpływa na eliminowanie takiego pojazdu z obsługi pociągów pasażerskich. W przypadku gdy skład pociągu ma być eksploatowany z pojazdem trakcyjnym niewyposażonym w układ zasilania wagonów można do składu dołączyć specjalny wagon zwany wagonem ogrzewczym. Jest to wagon z generatorem energii elektrycznej, który przez głóny przewód zasilania (szynę zbiorczą) zasila kolejne wagony składu pociągu w energię elektryczną. Generatorem prądu w takim wagonie jest najczęściej spalinowy agregat prądotwórczy. Omówione rozwiązanie należy już jednak zaliczyć do rozwiązań historycznych.



Uproszczonys chemat obwodów WN lokomotywy elektrycznej ze wskazanym obwodem układu zasilania składu pociągu



Nowoczesna przetwornica w lokomotywie spalinowej, wytwarzająca napięcie wyjściowe 3000 V DC do zasilania składu pociągu


Jako, że przez wiele lat układy zasilania wagonów były wykorzystywane do zasilania głównie ich ogrzewania elektrycznego, to często można się spotkać się z nazywaniem tego układu jako układ zasilania ogrzewania wagonów.  W wielu oficjalnych dokumentach, w tym w instrukcjach eksploatacyjnych takie określenie jest powszechnie używane. W odniesieniu do aktualnych rozwiązań jest to jednak skrót myślowy gdyż w nowoczesnych konstrukcjach energia elektryczna dostarczana z pojazdu trakcyjnego do wagonów, wykorzystywana jest kompleksowo do zasilania różnych obwodów i urządzeń elektrycznych w tym obwodów ogrzewania i klimatyzacji.

W pojazdach trakcyjnych elektrycznych energia elektryczna do zasilania układu zasilania składu pociągu jest pobierana z sieci trakcyjnej w ramach obwodu głównego. W pojazdach spalinowych, z przyczyn oczywistych konieczne jest wytworzenie energii elektrycznej na pokładzie pojazdu trakcyjnego o parametrach zgodnych z wymaganiami dla szyny zbiorczej zasilania pociągów.
W nowoczesnych wagonach głównym odbiornikiem energii jest przetwornica pokładowa, która przetwarza napięcie dostarczane z pojazdu trakcyjnego na napięcia wykorzystywane w sieci pokładowej (obwodach NN wagonu). Odpowiada ona też za ładowanie baterii akumulatorów, które realizują zasilanie obwodów sieci pokładowej gdy przetwornica nie pracuje.


Przykładowa przetwornica statyczna pod nadwoziem wagonu

Zasadniczo sieć pokładowa wagonów zasilana jest napięciem 24 V DC lub 110 V DC. Według aktualnych przepisów (karta UIC 550) napięcie 110 V DC dopuszcza się dla wagonów sypialnych i restauracyjnych. Każdy wagon wyposażony jest w niezależny zestaw baterii akumulatorów. 

 
Przykładowe baterie akumulatorów w wagonach


W pojazdach starszego typu, w których nie ma przetwornic pokładowych zasilanych z głównego przewodu zasilania (szyny zbioroczej), to przewód ten zasila układ ogrzewania elektrycznego natomiast zasilanie sieci pokładowej realizują baterie akumulatorów ładowane z prądnicy osiowej zabudowanej na wózku jezdnym. Prądnica taka napędzana jest przez przekładnię zamontowaną na kadłubie łożyska osiowego zestawu kołowego i wał pędny przegubowy.


Prądnica osiowa na wózku (opis na powiększeniu)



Oznaczenie na nadwoziu, że wagon z głonego przewodu zasilane jest tylko ogrzewanie, a sieć pokałdową zasila prądnica osiowa (e)



Oznaczenie na nadwoziu, że wagon ma centralne zasilanie z głównego przewodu (ee)



W związku z tym, że w nowoczesnych wagonach zastosowane są układy ogrzewania i klimatyzacyjne to do ich zasilania wykorzystywane jest najczęściej napięcie prądu przemiennego 3 x 400 V wytwarzane również w przetwornicy pokładowej. Niektóre przetwornice dla potrzeb zasilania klimatyzacji mogą mieć zastosowane falowniki do wytwarzania trójfazowego prądu przemiennego o zmiennej częstotliwości. Przetwornice wagonowe przez zastosowanie na przykład dodatkowego falownika mogą generować również napięcie do zasilania obwodów gniazdek elektrycznych 230 V 50Hz dla pasażerów i personelu. Są też rozwiązania w których napiecie 230 V AC jest przetwarzane w dodatkowych przetwornicach z napięcia 24 V DC. Taki układ występuje przykłądowo, gdy na pokładzie jest mała ilość gniazdek o małym dopuszczalnym poborze mocy (np. tylko w łazienkach). Nowoczesne przetwornice wagonowe zapewniają stabilizację napięcia wyjściowego, kontrolę prądu ładowania baterii akumulatorów oraz odporność urządzenia na przeciążenia i zwarcia zapewnia układ sterowania. Zastosowanie zaawansowanych układów diagnostycznych, zapewniają kontrolę prawidłowej pracy oraz gotowości pracy całego urządzenia. Nowoczesne przetwornice oparte na tranzystorowych falownikach, pracujących z wysoką częstotliwością, powoduje, że urządzenia te emitują bardzo niski poziom hałasu. Przetwornice realizują jak było wspomniane ładowanie baterii akumulatorów. Posiadają układy sterowania i kontroli ładowania, zapewniając optymalne parametry buforowego ładowania ogniw.   

Każdy wagon musi być wyposażony w odłącznik, zapewniający jednocześnie uczynienie obwodu, tak by można było odłączyć i uczynić obwody zasilania wagonu od głównego przewodu zasilania składu pociągu.


   
Przykładowe odłączniki główne zasilania

Wagony są też wyposażone w wyłączniki, zabudowane w szafie elektrycznej, we wnętrzu wagonu, które umożliwiają wyłącznie zasilania z głównego przewodu zasilania (szyny zbiorczej) wszystkich odbiorników elektrycznych wagonu z niego zasilanych.

 
Przykładowe szafy aparatowe w wagonach


Baterie akumulatorów są zabezpieczane bezpiecznikami topikowymi i muszą mieć możliwość odłączania od obwodu elektrycznego sieci pokładowej wagonu.


Układ zasilania składu pociągu, a więc szyny zbiorcze wagonów muszą być przystosowane do zasilania napięciami nominalnymi:
- 1000 V, 16 2/3 Hz, 22Hz, 50Hz,
- 1500 V 50Hz,
- 1500 V DC,
- 3000 V DC.
Karta UIC 550 określa dopuszczalne wahania napięcia i częstotliwości w stosunku do wartości nominalnych, które muszą być przestrzegane przy dostarczaniu energii do wagonów. Układ zasilania składu pociągu powinien być przystosowany do prądów o wartości 800 A.

Poniżej znajdują się przykładowe oznaczenia z wagonów pasażerskich inforumujące o systemach zasilania do których dany wagon jest przystosowany.


Oznaczenie na nadwoziu o przystosowaniu wagonu do zasilania tylko jednym napięciem



Oznaczenie na nadwoziu o przystosowaniu wagonu wszystkimi napięciami

Wagony mogą być wyposażone w główny przewód zasilania (szynę zbiorczą) przelotowy, czyli taki, który realizuje przesył energii elektrycznej przez wagon do kolejnych pojazdów składu pociągu lecz sam ten wagon nie ma urządzeń elektrycznych do niego podłączonych.

 
Oznaczenie na nadwoziu o głownym przewodzie przelotowym i zasilaniu sieci pokłądowej z prądnicy osiowej (e) oraz informacja, że wagon ma ogrzewanie wodne

W wagonach towarowych wyposażonych w przewód głównego zasilania stosuje się odmienne oznaczenia na nadwoziach w odniesieniu do wartości napięć do których przystosowane są urządzenia elektryczne na pokładzie.

 

W budowie
Oznaczenia wagonów towarowych dotyczące przystosowania do zasilania umieszczane na nadwoziu


Ze względu na różne wartości napięć w tym częstotliwości dla napięć prądu przemiennego, stosowanych w układach zasilania składu pociągu, w ramach wyposażenia wagonów mogą być stosowane przetwornice pokładowe jednonapięciowe i wielonapięciowe w zakresie napięć wejściowych.  W pierwsze rozwiązanie dotyczy wagonów komunikacji krajowej z napięciem zgodnym z systemem zasilania trakcyjnego danego kraju, W przypadku przeznaczenia wagonu do ruchu międzynarodowego pojazd obowiązkowo musi być przystosowany do zasilania różnymi wartościami napięć wejściowych w szynie zbiorczej. Przetwornica wielonapięciowa jest tak skonfigurowana, że w momencie pojawienia się zasilania na szynie zbiorczej automatycznie sprawdza wartość napięcia zasilania i według tego pomiaru przełącza swoje wewnętrze obwody przetwarzania energii, tak by w efekcie przetwarzać napięcie wejściowe na wartości wymagane dla sieci pokładowej.

 
Przykładowa przetwornica wielonapięciowa

Opis podstawowej budowy i działania przetwornic pokładowych zamieszczony jest w rozdziale: Obwody i urządzenia elektryczne w pojazdach elektrycznych.


Układy przewodów zasilania wagonów (szyny zbiorcze) zakończone są sprzęgami elektrycznymi WN. Klasyczne sprzęgi składają się z:
- gniazda sprzęgu,
- skrzynki rozgałęzienia uchwytu kabla,
- wtyczki sprzęgu z kablem,
- gniazda ślepego.
Kabel wtyku sprzęgu wyposażony jest w przewód uszyniający, zabezpieczający przed porażeniem w przypadku pojawieniu się na elementach sprzęgu wysokiego napięcia podczas obsługi przez personel. Wtyk sprzęgu po włożeniu do gniazda jest zabezpieczony przed samoistnym wysunięciem.


Schemat układu zasilania elektrycznego WN (szyny zbiorczej) i sprzęgów elektrycznych w wagonie
1 - przewody WN (szyna zbiorcza)
2 - gniazdo sprzęgu
3 - skrzynka rozgałęźna
4 - wtyczka sprzęgu z kablem
5 - gniazdo ślepe

Łączenie i rozłączanie sprzęgów należy realizować tylko w trybie bezprądowym. W pojeździe trakcyjnym elektrycznym na czas operacji należy opuścić odbieraki prądu (pantografy), a w pojeździe spalinowym wyłączyć silnik spalinowy.

Dla zabezpieczenia przed przypadkowym użyciem pokrywa otworu gniazda sprzęgu jest blokowana za pomocą specjalnego klucza zarówno w położeniu z wpiętą wtyczką jak i bez niej. Stosowany jest klucz zgodny ze standardem określonym w karcie UIC 552. Wyjęcie klucza blokuje sprzęg w danym połączeniu. Przykłądowo jeżeli Poza blokadą pokrywy gniazda może być również wykorzystywany do blokowania osłony wtyczki sprzęgu, jeżeli osłona jest w takie rozwiązanie wyposażona. Gniazda sprzęgów mogą być wyposażone w układ kontrolny, który przekazuje informacje do kabiny maszynisty, czy wtyczka jest podłączona do gniazda, czy nie. Osłona wtyczki sprzęgu mocuje ją gdy nie jest używana i jednocześnie chroni wtyczkę przed bezpośrednim działaniem niekorzystnych warunków atmosferycznych i zanieczyszczeń. W osłonie gniazda za uszczelnienie odpowiada specjalna tuleja i pokrywa, która może być blokowana z użyciem omówionego wcześniej klucza.

   
Klasyczny sprzęg elektryczny zgodny z UIC 552 (opis na powiększeniach)


   
Gniazdo sprzęgu (opis na powiększeniu)


 
Wtyczka sprzęgu


 
Wtyczka w gnieździe ślepym, skrzynka rozgałęźna i kabel wtyczki (opis na powiększeniu)


Schemat wtyku w gnieździe ślepym
1 - gniazdo ślepe
2 - wtyczka z kablem
3 - głowica łączeniowa wtyczki


 
Gniazdo klucza zabezpieczającego w gnieździe ślepym i gnieździe sprzęgu

Przy zastosowaniu powyższego rozwiązania, patrząc na czoło lokomotywy lub wagonu z jednej strony zamontowane jest gniazdo sprzegu, natomaist z drugiej strony zamontowane są: skrzynka rozgałęzienia z przewodem zakończonym wtykiem oraz gniazdo ślepe. Łącząc przykładowo lokomotywę z pierwszym wagonem składu, można wpinać wtyczkę z wagonu do gniazda lokomotywy, lub wtyczkę lokomotywy do gniazda wagonu. Przeciwne gniazdo / wtyk pozostają nieużywane.

   
Klasyczna konfiguracja sprzęgu elektrycznego

 
Wagon połączony sprzęgiem z lokomotywą


W analogiczny sposób jak wyżej przedstawiłem łączy się ze sobą kolejne wagony składu pociągu.


Schemat połączenia sprzęgiem WN

W produkowanych obecnie lokomotywach na ich ścianach czołowych pod zderzakami montuje się tylko gniazda sprzęgu zasilania. Jest to podyktowane tym, że nowe lokomotywy mają znacznie bardziej rozbudowane strefy konstrukcyjne dotyczące bezpieczeństwa biernego, czyli pochłaniania energii zderzeniowej, co skutkuje mniejsza iloscią miejsca w rejnie czołownic. Dodatkowym powodem jest też uproszczenie układu.

   
Układ gniazd zasilania, budowa przykładowego gniazda z czujnikiem i gniazdo klucza zabezpieczającego

W związku z taką zabudową gniazd, w celu podłączenia wagonu wpina się zasadniczo jego wtyk sprzęgu do gniazda w lokomotywie. Gdyby doszło do uszkodzenia tego połączenia, pojazd trakcyjny awaryjnie wyposażony jest w specjalny kabel dwuwtykowy umożliwiający połączenie po przeciwnej stronie gniazda lokomotywy z naprzeciwległym gniazdem wagonu.


Schemat połączenia z lokomotywą wyposażoną tylko w gniazda (połącznie zasadnicze i awaryjne)


Schemat i zdjęcie sprzęgu kablowego z wtyczkami dwustronnymi


Z wykorzystaniem powyżej opisanych sprzęgów, formowany skład wagonów może być podłączony do stacjonarnego układu zasilania, które znajduje się na stacjach obsługi technicznej (tzw. wagonowniach). Dzięki temu wagony mogą być zasilane zanim do składu podłączony zostanie pojazd trakcyjny. A ten najczęściej przyjeżdża na krótko przed wyjazdem na stację początkową. Dzięki stacjonarnemu zasilaniu wagony mogą być odpowiednio wcześniej przygotowane do jazdy, w tym nagrzane lub schłodzone. 
Poniższe zdjęcia prezentują torowe stanowiska zasilania i wskaźniki W25, który znajduje się przy torze z takim stanowiskiem. Podświetlenie jego latatnii informuje, że przy danym torze załączone jest zasilanie, w związku z czym należy zachować szczególną ostrożność.


Torowe stanowiska stacjonarnego zasilania (ogrzewania) wagonów (opis na pow.)


W25 - "wskaźnik ogrzewania" - wskaźnik świetlny informujący o załączonym zasilaniu stacjonarnym

Po połączeniu sprzęgów i podniesieniu odbieraków prądu (pojazdy elektryczne) lub włączeniu silnika spalinowego (pojazdy spalinowe) zasilanie składu pociągu załącza maszynista odpowiednim manipulatorem na pulpicie w kabinie.

 
Wyłączniki układu zasilania (ogrzewania) pociągu na pulpitach

 


Styczniki SGP1 i SGP2 układu zasilania (ogrzewania) pociągu w przedziale WN lokomotywy EU07