Loading

Lokomotywy sterowane tyrystorowo

"Trakcja i Wagony" nr 2/80

UKD:8SS. 423.1:621. J14.6J-M
doc. dr ini. Jan Markielowski
Instytut Elektrotechniki i ElektronikiPolitechniki Krakowskiej - Wydział Transportu


Tyrystorowe układy przekształtnikowe zdobyły obecnie ważną pozycję w światowej trakcji, a uzyskane doświadczenia wskazują na ich dalszy rozwój. W kraju, przy ograniczonych nakładach inwestycyjnych, produkcja układów energoelektronicznych jest jeszcze skromna, ale rozbudowujący się przemysł elektroniczny pozwoli już w niedługim czasie na wprowadzenie nowoczesnych układów sterowania napędów pojazdów trakcyjnych.

Tyrystorowo sterowane układy napędowe lokomotyw, w stosunku do dotychczasowych rozwiązań, pozwalają na znaczne zmniejszenie strat energii przy rozruchu (tzn. wykazują wyższą sprawność), bezzwłoczną i płynną regulację jazdy oraz bezłukowe przerywanie przepływu prądu w obwodach twornika i wzbudzenia silników. Przy dalszej automatyzacji układy te umożliwiają włączenie lokomotyw do centralnego systemu komputerowego sterowania. Układy te umożliwiają również skuteczne hamowanie dynamiczne z zabezpieczeniem przeciwpoślizgowym kół, przez co osiąga się maksymalne efekty hamowania przy minimalnym zużyciu torów - nawet ze względnie ciężkimi pociągami, co w dotychczasowych rozwiązaniach układów napędowych nie było możliwe.

W krajach europejskich opracowano i włączono do eksploatacji wiele tyrystorowo sterowanych lokomotyw, z których trzy charakterystyczne opisano poniżej. Różnią się one między sobą zastosowanymi układami napędowymi lub układem zasilania. Są to:
- elektryczna lokomotywa sterowana tyrystorowym przekształtnikiem z sieci jezdnej prądu przemiennego,
- spalinowa lokomotywa (diesel-elektryczna) sterowana tyrystorowym przekształtnikiem w obwodzie wzbudzenia generatora prądu przemiennego,
- elektryczna lokomotywa sterowana tyrystorowym przerywaczem z sieci jezdnej prądu stałego.


1. Elektryczna lokomotywa sterowana tyrystorowym przekształtnikiem z sieci jezdnej prądu przemiennego (seria V63 -MAV)

Lokomotywa ta o mocy 3680 kW jest stosowana na magistralach kolejowych, gdzie z obciążeniem wagonów towarowych o masie 3000 ton rozwija prędkość do 85 km/h, a z osobowymi wagonami o masie 700 ton - prędkość do 140 km/h (w wykonaniu alternatywnym do 160 km/h).

Zasadnicze dane techniczne lokomotywy typu V63:

    wariant
I II
rozstaw kół (szyn) mm 1435 1435
układ osi   Co'Co' Co'Co'
gabaryt kolejowy -skrajnia   UIC 505 UIC 505
długość lokomotywy m 19,54 19,54
średnice kół (nowe/zużyte) m 1,25/1,17 1,25/1,17
masa lokomotywy t 116 120
nacisk na oś kN 190 200
napięcie zasilania U 25 kV 50 Hz 25 kV 50 Hz
moc godz. lokomot. P 3680 kW 5150 kW
maksymalna prędkość jazdy V 140 km/h 160 km/h
rozruchowa siła pociągowa kN 450 400
trwała siła pociągowa kN 262 230
typ silnika   TC 700 K TC 700 K
napięcie silnika V 0-900 0-1020
prędkość obr. silnika obr/min 0-784/2250 0-896/2570
prędkość lokomotywy km/h 42,8/140 53,8/160
rozruchowy prąd silnika A 710 710
moc hamowania elektr. KW 2574 2942

Charakterystyczne cechy

Charakterystycznymi cechami lokomotywy są:
a) transformator oddzielający obwód sieci jezdnej od obwodów sieci trakcyjnej i innych urządzeń pomocniczych; transformator ma stałą przekładnię napięciową, a regulowanie w sposób ciągły napięcia silników trakcyjnych jest realizowane za pomocą półsterowalnych prostowników, przez co lokomotywa pracuje bez szarpnięć i skoków siły pociągowej;
b) układ prostowników składający się z 2 zespołów mostkowych dających elektryczną niezależność między obu wózkami umożliwiający ich rozłączenie oraz ewentualne naprawy w obwodach sterowania i w prostowniku. Zespół prostowniczy ma szeregowo połączone dwa półsterowalne mostki tyry-storowo-diodowe, każdy zasilany z oddzielnego wtórnego uzwojenia transformatora. Umożliwia to stosowanie tańszych tyrystorów o niższym napięciu zwrotnym i jest korzystne ze względu na wyższy współczynnik mocy układu. Niezależne obwody wzbudzenia silników trakcyjnych są zasilane również przez oddzielny, półsterowalny mostek prostownikowy, tak że przez ciągłe i automatyczne sterowanie prądu wzbudzenia, zapewnia się ciągłe osłabienie pola przy regulacji prędkości w górę. Przy elektrycznym hamowaniu tyrystorowe sterowanie prądu wzbudzenia utrzymuje stałą siłę hamowania albo stałą prędkość jazdy;
c) silniki trakcyjne, które mają dwa uzwojenia wzbudzenia - szeregowe i obce. Obce wzbudzenie umożliwia regulację prędkości jazdy w górę. Szeregowa charakterystyka silnika trakcyjnego jest realizowana przez regulację prądu wzbudzenia, proporcjonalnie do prądu twornika. Podczas hamowania elektrycznego silniki pracują jako prądnice z oddzielnym wzbudzeniem. Obwód twornika jest zamknięty przez rezystory hamowania. Silniki trakcyjne mają w nabiegunni-kach osadzone uzwojenie kompensacyjne, przez co przy napięciu międzydziałkowym ek = 14 V mogą być prawie dwukrotnie przeciążane.

Układ połączeń głównych obwodów elektrycznych (rys. 1)

Rys. 1. Schemat połączeń głównych obwodów elektrycznych lokomotywy V63

1 - odbieraki prądu, 2 - odgromnik zaworowy, 3 - przekladnłk napięciowy, 4 - wyłącznik główny, 5 - stycznik uziemiający, 6 - przekładnik prądowy, 7 - transformator główny, 7a - cztery uzwojenia wtórne do zasilania silników trakcyjnych, 7b - uzwojenie wtórne do zasilania pomocniczych aparatów, 7c - uzwojenie wtórne do zasilania urządzeń grzewczych, 8 - przekładnik prądowy różnicowy, ,9 - ograniczniki przepięcia, 10 - prostownik główny, 11 - prostownik obwodów obcego wzbudzenia, 12 - dławik wygładzający, 13 - wyłącznik silników trakcyjnych, 14 - wyłączniki obwodów hamowania, 15 - przekładnik prądu stałego, 16 - nawrotniki, 17 - silniki trakcyjne, 18 - rezystory hamowania, 19 - uzwojenie wzbudzenia szeregowego, 20 - uzwojenie obcego wzbudzenia, 21 - odłącznik obcego wzbudzenia silników, 22 - przekładnik napięciowy prądu stałego, 23 - silnik chłodzenia rezystorów hamowania, 24 - przekładniki prądowe, 25 - dławik wygładzający

Lokomotywa zasilana jest z sieci jezdnej przez pantograf 1, główny wyłącznik obwodu 4, przekładnik prądowy 6 i główny transformator 7. Transformator 7 ma uzwojenie pierwotne na napięcie 25 kV i kilka uzwojeń wtórnych, z czego 4 uzwojenia 7a na napięcie 568 V do zasilania obwodów trakcyjnych, uzwojenie 7b na napięcie 284 V do zasilania obwodów wzbudzenia i urządzeń pomocniczych, a uzwojenie 7c na napięcie 1500 V do zasilania urządzeń grzewczych.

Równolegle połączone obwody tworników trzech silników trakcyjnych 17 na jednym wózku są zasilane z prostownika 10, który składa się z 2 szeregowo połączonych półsterowalnych mostków diodowo-tyrystorowych. Dla zmniejszenia pulsacji prądu, za prostownikiem włączony jest dławik 12 wspólny dla 3 silników. Silniki trakcyjne do jazdy załączają styczniki 13, a dla hamowania styczniki 14 przez elektropneumatyczny zawór. Zmiana kierunku jazdy następuje przez przełączenie końcówek twornika za pomocą nawrotnika 16.

Obcowzbudne uzwojenia silników trakcyjnych, połączone szeregowo, są zasilane z oddzielnego półsterowalnego mostka 11.

Z pomocniczego uzwojenia 7b głównego transformatora zasilane są również pomocnicze urządzenia lokmotywy, takie jak:
- jednofazowe silniki z kondensatorem pracy do napędu przewietrzników,
- półsterowalny mostek zasilający silnik prądu stałego do napędu sprężarek,
- układ do ładowania baterii ze stabilizowanym napięciem,
- inne aparaty na napięcie 220 V.

Wyłącznik 21 umożliwia - w przypadku uszkodzenia silników - ręczne jego wyłączenie. Układy połączeń elektrycznych obwodów obu wózków są takie same.

Regulacja prędkości jazdy

Zasada regulacji polega na nałożeniu regulacji prędkości jazdy na regulację prądu. Regulacja kąta otwarcia obu prostowników dla każdego wózka wykonana jest oddzielnie. Natomiast sterowanie prędkości, sterowanie prądu obcego wzbudzenia i sterowanie układu zasilania, są wspólne dla obu prostowników (regulacja rozdziela się na dwa wózki przy ograniczniku prądu tworników).

Rozruchu dokonuje się przez nastawienie na pulpicie sterowniczym na potencjometrze sygnału zadanej prędkości oraz na drugim potencjometrze ograniczenia prądu rozruchowego. Lokomotywa będzie przyspieszać do chwili zrównania sygnału zadanej prędkości z sygnałem zwrotnym rzeczywistej prędkości dostarczonej z tachoprądnicy zabudowanej na osi kół. Jeżeli lokomotywa osiągnie żądaną prędkość jazdy, wówczas zmaleje prąd twornika silników, a siła pociągowa osiągnie wartość potrzebną na pokonanie oporów jazdy przy stałej prędkości. Jeżeli lokomotywa pomimo to będzie nadal przyspieszać (np. jazda z góry), wówczas ujemny sygnał z tachoprądnicy zablokuje przepływ prądu w głównym prostowniku.

Regulacja prądu wzbudzenia

Jeżeli przy pełnym kącie otwarcia tyrystorów prostownika głównego, tzn. przy maksymalnym napięciu na silnikach, nie uzyskano żądanej prędkości jazdy, to wówczas dla dalszego przyspieszenia konieczne jest osłabienie pola silników. Osłabienie pola następuje automatycznie przez włączenie się regulatora prądu w tyrystorowym prostowniku obcego wzbudzenia, który zmniejsza wartość prądu aż do osiągnięcia żądanej prędkości jazdy zgodnie z charakterystyką silników trakcyjnych (rys. 2).

Rys. 2. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy V63

Regulacja przy hamowaniu elektrodynamicznym

Sterowanie urządzenia hamującego zapewnia elektryczne hamowanie ze stałą siłą hamowania lub ze stałą prędkością (jazda z góry). W czasie elektrycznego hamowania silniki trakcyjne pracują jako obcowzbudne prądnice na własne rezystory hamowania. Przy hamowaniu eksploatacyjnym wielkość siły hamowania zadajemy w nastawniku ograniczającym prąd twornika. Automatyczne regulowanie prądu w prostowniku obcego wzbudzenia utrzymuje stałą siłę hamowania.

Utrzymanie stałej prędkości przy jeździe z góry jest realizowane przez przełączenie obwodu twornika silników na hamowanie elektryczne, a regulowanie prądu w prostowniku obcego wzbudzenia odbywa się według sygnału z porównania wartości zadanej prędkości z wartością rzeczywistą z tachoprądnicy i przy zachowaniu ograniczenia prądu tworników.

Ograniczenia i zabezpieczenia

Lokomotywa wyposażona jest w następującą aparaturę ograniczającą:
- ograniczniki przepięcia zabudowane od strony wtórnej transformatora chronią przed przepięciami strony pierwotnej (ochrona tyrystorów),
- zabezpieczenie przeciążeniowe uzwojeń wtórnych transformatora, działające przez przekładniki prądowe na blokowanie impulsów przepustowych, zmniejszając względny czas przewodzenia tyrystorów,
- zabezpieczenie zanikowo-napięciowe, działające w przypadku przerwy w zasilaniu lub w przypadku niestabilności w pracy pantografu,
- zabezpieczenie silników od przeciążeń, działające przez czujniki temperaturowe,
- zabezpieczenie przeciwpoślizgowe polega na wykrywaniu ślizgania się kół (z powodu zmiany warunków przyczepności) przez pomiar różnicy prądów silnika obracającego się z większą prędkością od pozostałych silników. Różnica ta wpływa na sygnał kąta wysterowania tyrystorów, tak że przy wzroście poślizgu kół (różnicy prądów) kąt wysterowania będzie zmniejszony i równocześnie zmniejszy się prąd pozostałych silników, aż do momentu zaniku poślizgu. Wówczas urządzenie sterowania przywraca zadaną wielkość siły trakcyjnej.

Lokomotywa wyposażona jest w radiołączność pociągową; urządzenia czuwakowe, zabezpieczające przed skutkami zasłabnięcia maszynisty i w urządzenie samoczynnego regulowania prędkości jazdy.


2. Spalinowa lokomotywa (diesel-elektryczna) sterowana tyrystorowym przekształtnikiem w obwodzie wzbudzenia generatora prądu przemiennego (seria M63-MAV)

Opisana poniżej lokomotywa budowana jest w dwóch wariantach, zależnie od potrzeb trakcyjnych. W pierwszym wariancie lokomotywa ma rozruchową siłę pociągową 400 kN i maksymalną prędkość jazdy do 130 km/h. W drugim wykonaniu rozruchowa siła pociągowa wynosi ca 320 kN i ma maksymalną prędkość do 160 km/h. Lokomotywa w drugim wariancie została opracowana specjalnie do pro-wadzenia pospiesznych i ekspresowych pociągów pasażerskich.

Lokomotywa z maksymalną prędkością 130 km/h ma charakter lokomotywy uniwersalnej, tzn. może być stosowana do ciężkich pociągów towarowych, jak również do prowadzenia pociągów pospiesznych.

Zasadnicze dane techniczne obu lokomotyw:

    wariant
I II
rozstaw kół (szyn) mm 1435 1435
układ osi   Co'Co' Co'Co'
gabaryt kolejowy - skrajnia   ORE-B 13a ORE-B 13a
długość lokomotywy m 19,54 19,54
średnice kół (nowe/zużyte) m 1,25/1,17 1,25/1,17
masa lokomotywy t 120 120
nacisk na oś kN 200 200
moc silnika spalinowego (godz.) kW 2320 2320
prędkość silnika spalinowego Cbr./min 1500 1500
moc lokomotywy ciągła kW 2060 2600
maks. prędkość jazdy km/h 130 160
rozruchowa silą pociągowa kN 400 320
trwała siła pociągowa kN 220 170
moc hamowania elektrodynam. MW 1,5 1,5
zakres prędkości jazdy ham. elektr. km/h 130-30 160-40
napięcie instalacji ogrzewczej   1500 V 50 Hz 1-faz.
moc ogrzewania kW 500 500
moc urządzeń pomocniczych kW 200 200

Silnik spalinowy Diesela o mocy 2320 kW i prędkości obrotowej 1500 obr./min, napędza 3-fazową prądnicę główną. Pomocnicza i ogrzewcza prądnica stanowi integralną część głównej prądnicy, przy czym obie prądnice są w jednym kadłubie i na wspólnym wale. Zaciski wyjściowe twornika głównej prądnicy są podłączone do 3-fazowego, diodowego prostownika w układzie mostkowym, zgodnie ze schematem połączeń głównych obwodów lokomotywy (rys. 3). Z prostownika zasila się sześć równolegle połączonych silników trakcyjnych z szeregowym wzbudzeniem, które zabudowane są na 3-osiowych wózkach.

Rys. 3. Schemat połączeń obwodów głównych lokomotywy spalinowo-elektrycznej M63

1 - silnik spalinowy Diesla, 2 - główna prądnica, 3 - pomocnicza i ogrzewcza prądnica, 4 - prostownik główny, 5 - silniki trakcyjne, 6 - urządzenie rozrządcze sterowania, 7 - transformator napięciowy, 8 - przekładnik prądu głównego, 9 - przekładnik prądu stałego w obwodzie silnika trakcyjnego, 10 - odłącznik główny silnika trakcyjnego, 11, 12 - styczniki osłabienia pola, 13 - rezystor osłabienia pola, 14 - nawrotnik, 15 - półsterowalny prostownik mostkowy wzbudzenia głównego generatora, 16 - nastawnik mocy zadanej (nadajnik), 17 - nastawnik (nadajnik) ograniczenia prądu rozruchowego, 18 - nastawnik (nadajnik) siły hamowania, 19 - oporniki hamowania, 20, 21 - styczniki hamowania (przełączniki), 22 - przekładnik prądu stałego, 23 - przekaźnik nadprądowy

Równoległe połączenia silników i przeciwpo-ślizgowe zabezpieczenie kół gwarantuje dobrą przyczepność lokomotywy do szyn. Elektryczny układ lokomotywy może przenosić przy niższych prędkościach moc 2320 kW, a przy najwyższych - moc ciągłą 2060 kW. Lokomotywa może elektrodynamicznie hamować i wówczas każdy silnik trakcyjny pracuje jako prądnica włączona na własną rezystancję hamowania. Rezystory hamowania umieszczone są w szafie z wymuszonym intensywnym chłodzeniem, działającym w chwili hamowania. Działanie urządzeń hamowania elektrycznego jest dokładnie skoordynowane z układem hamulców pneumatycznych lokomotywy i całego pociągu.

Pomocnicza i ogrzewcza prądnica zasila urządzenie pomocnicze ogrzewania i oświetlenia całego pociągu. Tyrystorowy regulator utrzymuje 1-fazowe napięcie prądnicy o stałej wartości. Urządzenia pomocnicze są napędzane silnikami prądu stałego z szeregowym wzbudzeniem i zasilane z prądnicy pomocniczej przez krzemo-diodowy prostownik mostkowy. Takie rozwiązanie gwarantuje mały ciężar urządzeń pomocniczych i prosty sposób regulacji prędkości obrotowej silników.

Obwody prądowe sterowania i część urządzeń pomocniczych są zasilane z akumulatorów, które są ładowane przez blok stabilizowanych prostowników. System zabezpieczeń i sygnalizacji zapewnia ochronę urządzeń elektrycznych przeciw ewentualnym zakłóceniom i niesprawno-ściom urządzeń i instalacji elektrycznych lokomotywy.

Urządzenia regulacyjne lokomotywy

W kabinie lokomotywy są następujące urządzenia do sterowania obwodu głównego i urządzeń regulacyjnych:
- wyłącznik styczników obwodu głównego,
- przełącznik rodzaju sterowania,
- przełącznik kierunku jazdy - nawrotnik,
- nastawnik jazdy,
- potencjometr ograniczania prądu,
- dźwignia hamowania elektrycznego.

Sterowanie elektrycznych urządzeń lokomotywy przeprowadza się przez zadziałanie aparatami umieszczonymi na pulpicie w kabinie. Urządzenia regulacyjne lokomotywy umożliwiają również sterowanie dwóch lokomotyw w układzie tandem. Lokomotywę można sterować ręcznie lub automatycznie. Siłę pociągową i moc trakcyjną zadaje się stopniowo na nastawniku, który ma 17 pozycji skokowych, a następnie regulację ciągłą w zakresie 100° kąta obrotu.

Potencjometr ograniczania prądu silników trakcyjnych, ogranicza równocześnie siłę pociągową lokomotywy. Ręczna dźwignia elektrycznego hamowania służy do nastawiania wielkości siły hamowania elektrycznego.

Regulacja prędkości jazdy

Elektroniczne urządzenie sterowania spełnia zasadniczą rolę podczas rozruchu, jazdy i elektrycznego hamowania wg optymalnie zadanej regulacji.

Nastawiane w kabinie sygnały wartości zadanej mocy i rozruchowego prądu są wprowadzane do urządzenia sterowania 6. Zwrotne sygnały informacyjne o stanie napięcia i prądu generatora oraz prądów silników trakcyjnych są również wprowadzane do urządzenia sterującego.

Sygnał wyjściowy tego urządzenia reguluje kąt załączania tyrystorów, które sterują prąd w obwodzie wzbudzenia prądnicy głównej. Charakterystyka trakcyjna, tj. zależność siły pociągowej od prędkości jazdy lokomotywy, jest przedstawiona na rysunku 4. Krzywa odnosi się do przypadku ustalonej mocy około 1766 kW i połowy osi napędowych. Wzdłuż odcinka AB urządzenie sterujące 6 utrzymuje siłę pociągową ograniczoną warunkami przyczepności kół. Na odcinku BC siła pociągowa jest odwrotnie proporcjonalna do prędkości jazdy lokomotywy i przy maksymalnej prędkości osiąga wartość 50 kN.

Układ transmisji mocy elektrycznej jest zdolny do przeniesienia mocy około 2060 kW w obszarze całego zakresu prędkości jazdy. Po uzyskaniu pełnego napięcia na silnikach, zwiększenie prędkości jazdy można uzyskać przez zmniejszenie strumienia głównego. Osłabienie pola silników trakcyjnych jest możliwe w dwóch stopniach. Uzwojenie wzbudzenia podzielone jest na dwie części. Pierwsza z nich jest zbocznikowana rezystorem 23, który w pierwszym etapie jest włączony stycznikiem 12. W drugim etapie stycznik 12 zostaje wyłączony. Przekaźnik wbudowany do szybkościomierza steruje załączanie styczników 11, 12 osłabienia wzbudzenia.

W celu uniknięcia gwałtownych zmian siły pociągowej i przeciążenia silnika spalinowego, główna prądnica zostaje automatycznie odwzbudzona.

Rys. 4. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy spalinowo-elektrycznej M63

Sterowanie przy hamowaniu elektrycznym

Zmianę układu połączeń jazdy na układ połączeń hamowania, przeprowadza się przez rozłączenie styczników głównych 10 i osłabienie prądu wzbudzenia 11, 12, a włączenie styczników hamowania 20, 21.

Przy hamowaniu silniki trakcyjne pracują jak prądnice. Do uzwojenia tworników silników trakcyjnych są włączone oddzielne rezystory hamowania 19. Uzwojenia wzbudzenia są połączone szeregowo i zasilane z głównego prostownika. Wielkość siły hamowania zadaje sterujący lokomotywą za pomocą dźwigni na potencjometrze 18. Sygnał z tego nadajnika jest kierowany do urządzenia sterującego. Do tego samego urządzenia sterującego są również wprowadzane sygnały zwrotne od prądów silników i prędkości jazdy. Sygnał wyjściowy z urządzenia 6 reguluje kąt wysterowania tyrystorów, które zasilają obwód wzbudzenia głównej prądnicy. Elektryczne hamowanie lokomotywy obejmuje zakres od maksymalnej prędkości do 30 km/h, a poniżej tej prędkości jest uruchamiane automatycznie hamowanie pneumatyczne.

Rozróżnia się 3 rodzaje hamowania:
- hamowanie eksploatacyjne - lokomotywa jest hamowana elektrycznie (w końcowej fazie - pneumatycznie),
- hamowanie nagłe (awaryjne) - lokomotywa jest hamowana przez łączny układ: elektryczny i pneumatyczny,
- hamowanie na stałą prędkość (na pochyłościach) - lokomotywa jest hamowana elektrycznie wg potrzeby, a wagony nie są wówczas hamowane.

W każdym z poszczególnych rodzajów hamowania, urządzenie sterujące zapewnia ochronę silników trakcyjnych, rezystorów hamowania i obwodów wzbudzenia.

Urządzenie przeciwpoślizgowe

Działanie urządzenia przeciwpoślizgowego polega na wykrywaniu występowania ślizgania się kół przez pomiar różnicy między prądami poszczególnych silników trakcyjnych. Prądy płynące w każdym z równolegle połączonych sześciu silników trakcyjnych są mierzone. W przypadku wystąpienia ślizgania się kół jednego z silników - pojawia się różnica prądów, za pomocą której elektroniczne urządzenie sterujące wpływa na obwody regulacyjne prądu i mocy, proporcjonalnie do mierzonej różnicy prądów. W wyniku tej interwencji, prąd rozruchowy z prądnicy zostaje zmniejszony. Natychmiast po zaniku poślizgu następuje wyrównanie prądów, a początkowa wartość prą-du i siły trakcyjnej zostanie przywrócona. Jeżeli zadana wartość siły pociągowej lokomotywy jest ustalona w nastawniku lub na potencjometrze ograniczającym prąd nieco powyżej granicy przyczepności kół, to urządzenie sterowania będzie automatycznie działać, aby wyeliminować ślizganie i zapewnić rozruch z mocą na granicy przyczepności. Urządzenie zabezpieczające przed poślizgiem automatycznie włącza urządzenie do posypywania piaskiem na krótki okres, aby wyeliminować poślizg.

Urządzenie zabezpieczające przed blokadą kół

Urządzenie to służy do ochrony przed blokowaniem kół, które może wystąpić podczas elektrodynamicznego hamowania. Blokowanie kół stwierdza się przez ten sam selektywny obwód diodowy, który jest stosowany do wykrywania poślizgu kół. Jeżeli któreś z kół będzie zablokowane, to indukowane napięcie i prąd silnika trakcyjnego należącego do tej osi będzie równe zeru. Wówczas różnica prądów wzrośnie i spowoduje włączenie obwodu przełącznika w urządzeniu regulacyjnym, przez co zmniejszy się siła hamowania całego układu napędowego.


3. Elektryczna lokomotywa sterowana tyrystorowym przerywaczem z sieci prądu stałego (seria E444 - FS)

Lokomotywa ta rozwija trwałą moc na wale 4,5 MW przy prędkości 120 km/h, a maksymalna prędkość jazdy wynosi 200 km/h. Lokomotywa napędzana jest przez 4 silniki prądu stałego skompensowane, obcowzbudne, typu T-750 FS zabudowane w 2 wózkach dwuosiowych. Każdy silnik zasilany jest z sieci jezdnej o napięciu 3 kV przez zespół przerywaczy tyrystorowych (hopperów). Napięcie na silnikach jest regulowane od 0 do 1800 V. Lokomotywa charakteryzuje się następującymi cechami:
- każdy silnik trakcyjny jest zasilany przez jeden niezależny zespół przerywaczy tyrystorowych, które zapewniają właściwą charakterystykę trakcyjną lokomotywy (rys. 5),
- ciągłe sterowanie siły trakcyjnej i prędkości nie zależy od spadku napięcia w sieci jezdnej,
- dużą automatyzacją regulacji w zakresie rozruchu, jazdy i hamowania, co jest szczególnie ważne przy dużych prędkościach,
- znaczną redukcją ruchomej części aparatury (styczniki, łączniki itp.),
- ograniczeniem składowej zmiennej prądu w przewodzie jezdnym do wartości dopuszczalnej,
- dobrym zabezpieczeniem elektrycznych i elektronicznych urządzeń lokomotywy.

Rys. 5. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy elektrycznej E444.005

Zasadnicze dane techniczne lokomotywy:

rozstaw kół (szyin) - 1435 mm
układ osi - Bo'Bo'
średnica kół - 1250 mm
masa lokomotywy - 84 t
nacisk na oś - 210 kN
napięcie zasilania - 3 kV (+-30%)
moc godzinowa na wale - 5 MW przy 110 km/h
moc trwała na wale - 4,5 MW przy 120 km/h
ma'ksymalna prędkość Jazdy - 200 km/h
rozruchowa siła pociągowa - 250 kN '
trwała siła pociągowa - 100 kN
typ silnika - T 750 FS
napięcie zasilania - 0-1800 V
prędkość obrotowa silnika - 0-900-1700 obr./min
odp. prędkość jazdy - 0-110-200 km/h
prąd rozruchowy - 1100 A
prąd godzinowy - 760 A
prąd trwały - 670 A
moc hamowania - 4,5 MW przy prędk. 200-160 km/h
trwała moc hamowania - 2,5 MW przy prędk. 120 km/h

obciążenie wagonami o masie 100 t, na wzniesieniu 12%o.

Lokomotywa ma układ składający się z 4 zespołów przerywaczy tyrystorowych (hoppe-rów), po jednym zespole dla każdego silnika trakcyjnego. Każdy zespół zbudowany jest z 3 równolegle połączonych jednakowych gałęzi. Impulsy tych 3 gałęzi przerywaczy są wzajemnie przesunięte o 120°. W każdym z 4 zespołów przerywaczy impuls wysterowania jest oprócz tego wzajemnie fazowo przesunięty o 90°. Wobec tego na filtr sieciowy działa 12--krotnie więcej impulsów. Duża częstotliwość pulsacji umożliwia uzyskanie konstrukcji filtra sieciowego o małym gabarycie i ciężarze, a zarazem o dobrym tłumieniu składowej zmiennej w prądzie zasilania.

Sterowanie prędkością jazdy

Rozruch lokomotywy realizuje się w 3 fazach, które obrazuje tablica.

Faza Prędkość
km/h
Prędkość obr. siln.
obr./min
Częstotl. impuls.
Hz
Szerokość impuls.
HS
Wzbudzenie silników
%
Napięcie silników
wolt
1 0-40 0-340 33-528 20 100 0-400
2 40-110 340-900 528 20-750*) 100 400-1800
3 110-200 900-1700 528 750 100-33 1800

*) zależnie od napięcia sieci jezdnej

Pierwsza faza rozruchu przebiega ze stałą szerokością impulsu b = 20 us, przy ciągłej zmianie częstotliwości od 33 do 528 Hz. Napięcie silnika trakcyjnego przy średnim napięciu sieci jezdnej osiąga wówczas około 400 V.

W drugiej fazie rozruchu przy stałej częstotliwości powiększa się szerokość impulsu z 20 do 750 us. Napięcie zasilania silnika wzrasta wówczas od 400 do 1800 V, a prędkość jazdy dochodzi do 110 km/h. Przy końcowym okresie drugiej fazy lokomotywa osiąga pełną moc 4,5 MW, nawet przy minimalnym napięciu sieci jezdnej. Wszystkie gałęzie przerywaczy prądu stałego są wysterowane z jednego zadajnika impulsów. Zadajnik ten pracuje w zakresie częstotliwości 396-6336 Hz. Przez rozdzielacz pierścieniowy impulsy zostają rozdzielone w sposób szeregowy na 12 gałęzi tyrystorowych przerywaczy, przy czym częstotliwość impulsów jednej gałęzi wynosi 33-528 Hz.

W trzeciej fazie prąd wzbudzenia zostaje zmniejszony w układzie regulacji prądu wzbudzenia silnika, aby zgodnie z charakterystyką trakcyjną pociąg mógł uzyskać zadaną prędkość. Przerywacz prądu wzbudzenia 9 (rys. 6) jest podobnie sterowany, jak przerywacz prądu twornika silnika trakcyjnego.

W przypadku przekroczenia zadanej prędkości, sygnał zwrotny przez sterownik impulsów podwyższa prąd wzbudzenia, a potem następuje Zredukowanie szerokości impulsu w głównym przerywaczu prądu twornika silnika i dalsze ponowne wysterowanie częstotliwości impulsów.

Ciągła regulacja silników umożliwia prostą regulację jazdy pociągu. Zależnie od potrzeb, można zadawać stałą prędkość jazdy lub stały prąd silników trakcyjnych. Do tego celu służą dwa potencjometry nastawcze na pulpicie w kabinie lokomotywy, którymi wybiera się zadaną wartość prędkości i maksymalny prąd w zależności od: masy pociągu, profilu toru i technicznych ograniczeń prędkości.

Sterowanie przy hamowaniu

Elektrodynamiczne hamowanie stosuje się w lokomotywie przy dużej prędkości jazdy. Silniki trakcyjne pracują wówczas jako prądnice obcowzbudne na własne rezystory, które umieszczone są na dachu lokomotywy i chłodzone naturalnie. Prąd wzbudzenia przy hamowaniu jest niezależny od napięcia sieci trakcyjnej. Do . wywołania prądu hamowania uzwojenie wzbudzenia początkowo jest zasilane z 220 V baterii akumulatorów przez tyrystorowy przerywacz. Skoro tylko napięcie na rezystorach hamowania przewyższy 220 V, to zasilanie obwodu wzbudzenia zostaje przełączone na to napięcie. Bateria akumulatorów jest zaprojektowana tylko na krótki okres czasu zasilania obwodu wzbudzenia.

Przy hamowaniu na stałą prędkość (jazda z góry), wzrost zadanej prędkości spowoduje w pierwszej chwili podwyższenie prądu wzbudzenia, a przy dalszym wzroście prędkości następuje automatyczne przełączenie głównych obwodów silników trakcyjnych na hamowanie elektrodynamiczne i odpowiednie wysterowanie przerywaczy prądu w obwodzie wzbudzenia.

Przy hamowaniu eksploatacyjnym maszynista nastawia nastawnikiem wartość siły hamowania. Gdy elektryczne hamowanie przy zmniejszonych prędkościach jazdy jest mało skuteczne, to automatycznie włączają się dodatkowo pneumatyczne hamulce lokomotywy i pociągu. W przypadku awarii lub jakiegoś niebezpieczeństwa, można również bezpośrednio interweniować dźwignią hamowania elektrodynamicznego i pneumatycznego całego pociągu.

Zabezpieczenie przeciwpoślizgowe

Zabezpieczenie przeciwpoślizgowe jest podwójne przez pomiar różnicy między prądami poszczególnych silników trakcyjnych i przez pomiar różnicy prędkości obrotowej osi kół napędowych. Prądy płynące w każdym z równolegle połączonych czterech silników są mierzone, a ich wielkości skierowane do urządzenia sterującego, jak również i wielkości napięć z tachoprądnic informujące o rzeczywistej prędkości obrotowej poszczególnych osi kół. W przypadku wystąpienia ślizgania się jednego zestawu kołowego, pojawia się różnica prądów i różnica napięć tachoprądnic, za pomocą których elektroniczne urządzenie sterujące wpływa na obwody regulacyjne prądów zasilających silniki proporcjonalnie do pomierzonych różnic. To samo urządzenie zabezpieczające przed poślizgiem działa również w okresie elektrycznego hamowania.

Rys. 6. Schemat połączeń głównych obwodów prądowych lokomotywy zasilanej z sieci prądu stałego 3 kV

1 - odbieraki prądu, 2 - odłączniki odbieraków, 3 - wyłącznik główny (szybki), 4 - odgromnik, 5 - filtr sieciowy, 6 - stycznik uziemiający, 7 - przekładnik prądu stałego, 8 - tyrystorowy przerywacz prądu stałego (hopper): 8.1. tyrystor główny, 8.2. tyrystor pomocniczy (wyłączający), 8.3. dioda wyładowcza, 8.4. kondensator komutacyjny, 9 - tyrystorowy przerywacz prądu stałego w obwodzie wzbudzenia silników, 10 - silniki trakcyjne, 11 - styczniki, rezystory hamowania, 12 - nawrotnik, 13 - odłączniki uszkodzonych silników

Filtr sieciowy

Filtr sieciowy spełnia podwójne zadanie: ogranicza prądy składowej zmiennej w przewodzie jezdnym i zmniejsza impedancję źródła prądu.

Usytuowanie układu filtrów tuż za wyłącznikiem szybkim ułatwia natychmiastowe gaszenie łuku elektrycznego przy wyłączaniu lokomotywy z sieci zasilającej.

Cewka dławika zewnętrznej części filtru jest zaopatrzona w magnetyczny rdzeń, który przy prądzie około 150 A zostaje nasycony i wówczas impedancja biegu jałowego jest duża, a w przypadku bardzo krótkich odskoków ślizgacza pantografu przerwanie prądu jest utrudnione. Wewnętrzna cewka dławika wykonana z płaskownika aluminiowego o spiralnym kształcie uzwojenia jest bezrdzeniowa i chłodzona powietrzem.

Aparatura ochronna

Aparatura ochronna chroni półprzewodniki przed niedopuszczalnym przeciążeniem w nadzwyczajnych przypadkach, np. fałszywej komutacji lub impulsowania zaporowego.

Urządzenia zabezpieczające od przeciążenia silników uruchamiają zwieracz (elektrody sterującej z iskiernikiem), który przełącza kondensator filtru sieciowego przez reaktancję i przez to wytwarza drgania napięć, które gaszą przewodzące tyrystory.

Ochrona przepięciowa uruchamia podobny aparat, który przepięcia na filtrze sieciowym rozładowuje przez nieliniowy opornik i gasi pozostały prąd przez magnetyczny wydmuch.

Elektroniczne różnicowe zabezpieczenie zabudowane przy wyłączniku głównym kontroluje stan izolacji w głównym obwodzie prądowym.

Pomocnicze napędy

Pomocnicze napędy, jak: silniki sprężarek, silniki przewietrzników itp. są zasilane z przetwornicy, która składa się ze skompensowanego silnika prądu stałego i stabilizowanej, 3-fazowej prądnicy. Regulator napięcia prądnicy działa wraz z tyrystorowym regulatorem prędkości silnika, utrzymując praktycznie stałą częstotliwość i stałe napięcie generatora niezależnie od napięcia sieci jezdnej. Maksymalna moc przetwornicy wynosi 150 kW, a trwała moc 125 kW przy napięciu 450 V i 60 Hz.

Spośród trzech wyżej opisanych lokomotyw w warunkach naszej trakcji elektrycznej mogą być rozpatrywane do wprowadzenia dwa ostatnie rozwiązania lokomotyw.


Bibliografia:

[1] Cogliati A. i wsp.: Die Versuchslokomotive E 444.005 F. S. der Italienischen Staatbahnen mit elektronischem Gleichstromsteller fur 3000 V Gleichstrom. Brown Boveri Mitt. 1976 12 737-743

[2] Fiszer J.: Electronic Control for the Electronic Power Transmission oj Diesel Locomotives. Ganz Electric Review (Budapeszt) 1973 12 91-100

[3] Fodor F.: Electronic Eąuipment and Test Results oj the 3150 HP Diesel-Electric Locomotive. Ganz Electric Review (Budapeszt) 1973 14 29-46

[4] Kulesar L.: Thyiristor Auxiliary Rectitier jor Elec-trical Locomotives. Ganz Electric Reviaw (Buda-ipesat) 1973 12 101-404

[5] Pandula J., Racz li.: New 5000 HP Thyristor--Controlled Elektric Locomotives Developed by Ganz Electric Works. Ganz Electric Review (Budapeszt) 1975 14 17-28