Loading

Zastosowanie techniki tyrystorowej w elektrycznych zespołach trakcyjnych PKP

Trakcja i Wagony nr 2/86

dr inż. Józef Czucha
dr hab. inż. Przemysław Pazdro
Politechnika Gdańska
mgr inż. Jan Pabiańczyk COBiRTK


PKP podjęły decyzję szerokiego wprowadzenia urządzeń tyrystorowych w elektrycznych zespołach trakcyjnych i lokomotywach. Decyzja ta uzasadniona Jest wieloletnim już doświadczeniem innych zarządów kolejowych, które uzyskały bardzo dobre wyniki eksploatacyjne z taborem wyposażonym w przekształtniki tyrystorowe [1].

Elementem decyzji była również ocena możliwości przemysłu krajowego oraz bilans dotychczasowych doświadczeń placówek badawczych w zakresie elektroniki mocy.

Prace nad trakcyjnymi układami tyrystorowymi prowadzone są w Polsce od ok. 16 lat. Miały one jednak charakter albo teoretyczny, albo eksperymentów w skali modelowej. Niestety, nie uzyskano dotychczas żadnego wdrożenia w zakresie taboru kolejowego.

Zgromadzony został jednak spory zapas doświadczeń i materiał badawczy pozwalający na podjecie pracy, których celem jest uzyskanie trakcyjnych tyrystorowych układów napędowych w oparciu o własną myśl techniczną i krajowe elementy.

Działania praktyczne koncentrują się na układach impulsowych z wykorzystaniem silników prądu stałego. Zalety tego typu układów są obecnie powszechnie znane i udokumentowane w licznych publikacjach. Warto jednak przypomnieć najważniejsze z nich, odniesione do taboru typu podmiejskiego lub SKM:
- zmniejszenie zużycia energii o 10-15% w wyniku zasadniczego zmniejszenia strat w rezystorach rozruchowych,
- możliwość zastosowania efektywnego hamowania odzyskowego, co umożliwia dalsze zmniejszenie zużycia energii o ok. 15%,
- zmniejszenie nakładu pracy na bieżące utrzymanie aparatury elektrycznej,
- poprawa właściwości trakcyjnych dzięki większej sztywności charakterystyk regulacyjnych, a tym samym mniejsze skłonności do poślizgu.
- poprawa komfortu jazdy i zmniejszenie naprężeń dynamicznych w wyniku płynnej regulacji.

PKP eksploatują elektryczne zespoły trakcyjne serii EN57 w intensywnym ruchu podmiejskim i SKM. Niezależnie zatem od przygotowywania układów tyrystorowych dla nowych konstrukcji pojazdów, postanowiono dokonać modernizacji części zespołów EN57 przez zastosowanie w nich układów rozruchu impulsowego.

Zadania opracowania takiego układu podjął się Instytut Wysokich Napięć i Aparatów El. Politechniki Gdańskiej przy współpracy Zakładu Trakcji COBiRTK. Udział w opracowaniu mieli również konstruktorzy z FTiAT "Elta".

Układ elektryczny zmodernizowanego zespołu trakcyjnego

Przyjęto, że realizowany będzie jedynie rozruch impulsowy, gdyż silniki Lk450, stosowane w zespołach EN57, nie pozwalają na wykorzystanie ich do skutecznego hamowania elektrodynamicznego. Ale nawet ograniczenie się do układu rozruchu impulsowego zapewnia znaczne efekty energetyczne. Można wykazać, że na każdym rozruchu oszczędza się ok. 1,4 kWh w odniesieniu do zespołu trakcyjnego. W warunkach ruchu SKM Gdańsk - Wejherowo daje to roczną oszczędność ok. 110x 10^3 kWh dla jednego zespołu.

Przy projektowaniu układu wystąpiły dosyć istotne ograniczenia. Należało dostosować gabaryty i masę urządzeń tyrystorowych oraz aparatury towarzyszącej do przestrzeni, jaką dysponowano w zespole po zdemontowaniu aparatury rozruchu rezysterowego. Konieczne było również dostosowanie konstrukcji do dostępnych w kraju elementów i podzespołów.

Zasadniczą sprawą był wybór układu przekształtnika tyrystorowego. Dysponowano tyrystorami szybkimi typu TR71-200-12 o czasie wyłączania 32 us. Są to tyrystory o obciążalności średniej 200 A. Przy wymaganej obciążalności przekształtnika, wynikającej z przyjętego prądu rozruchu 250 A (większego o ok. 20% w stosunku do układu rezystorowego), konieczne jest stosowanie dwóch gałęzi równoległych lub układu dwufazowego dla każdej grupy silników. Rozwiązanie dwufazowe ma zdecydowaną przewagę, ze względu na możliwość podwajania częstotliwości wypadkowej, a tym samym ograniczenia rozmiarów filtru wejściowego.

Zdecydowano się na zastosowanie układu mostkowego, będącego w naturalny sposób dwufazowym, a nie wymagającego stosowania dławików rozdzielających o znacznej indukcyjności. a zatem i masie. W układzie tym wykorzystuje się jeden wspólny układ komutacyjny, co również przyczynia się do zmniejszenia wymiarów aparatury. Ważną cechą układu mostkowego jest również możliwość uzyskania bardzo niskiego początkowego napięcia wyjściowego, co pozwala na rezygnację z obniżania częstotliwości lub obniżenia jej tylko w nieznacznym stopniu.

Nie można jednak pominąć milczeniem podstawowej wady układów mostkowych, jaką jest szeregowe połączenie dwóch gałęzi tyrystorowych zwymiarowanych na pełne napięcie.

Działanie przekształtnika oraz zasady doboru jego elementów zostały przedstawione w pracy [2].

Układ elektryczny obwodu głównego zespołu trakcyjnego został pokazany na rysunku 1. Istnieją dwie jednakowe gałęzie obwodu, związane z dwiema grupami silników trakcyjnych. Na schemacie pokazane są jedynie elementy istotne z punktu widzenia pracy układu przekształtnikowego. Pominięto nawrotnik, odłączniki silników i obwód osłabiania wzbudzenia, rozwiązany metodą klasyczną.

Załączanie obwodów odbywa się za pomocą styczników liniowych SL, które pracują w stanie bezprądowym. Zabezpieczenie główne stanowi wyłącznik szybki typu JWS. Charakterystyki tego wyłącznika leżą na granicy możliwości ochrony przekształtników w przypadku wystąpienia zwarć, W związku z tym konieczne było umieszczenie przekształtników za silnikami trakcyjnymi. W takim układzie obwód zwarć doziemnych zamyka się z pominięciem przekształtnika.

W przypadku wystąpienia przeciążeń działa ochrona własna przekształtnika powodując blokadę impulsów zapłonowych tyrystorów. Istnieje możliwość zwarcia przekształtnika stycznikiem SZ po zakończeniu rozruchu, co powoduje zmniejszenie strat przy jeździe na charakterystyce naturalnej. Jest to uzasadnione jedynie przy dłuższych odcinkach między stacjami. Przekształtnik traci jednak w takiej sytuacji zdolność łączenia i wyłączanie obwodu muszą przejąć styczniki liniowe.

Zastosowano najprostszy filtr wejściowy w układzie "gamma", który spełnia jednak wymagania PKP dotyczące odkształceń prądu pobieranego przez zespół z sieci. Podstawowa częstotliwość pracy jednej fazy przekształtnika wynosi 300 Hz, co po uwzględnieniu dwóch faz i dwóch przekształtników, pracujących z przesunięciem fazowym o 180 stopni el. zapewnia wypadkową częstotliwość na wyjściu filtra równą 1200 Hz.

W układzie sterowania przewidziano możliwość obniżania częstotliwości początkowej do 75 Hz. Już w czasie prób na hamowni okazało się możliwe zwiększenie tej częstotliwości do 150 Hz. Istnieją przesłanki, że w rzeczywistych warunkach przy uwzględnieniu dynamiki zespołu trakcyjnego będzie można zrezygnować z obniżania częstotliwości w początkowej fazie rozruchu. W układzie sterowania przewidziano regulator zapewniający utrzymanie stałej wartości prądu rozruchu aż do dojścia do charakterystyki naturalnej. Wartości te nastawiane są skokowo przez maszynistę za pomocą istniejącego w zespole nastawnika (120 A do 250 A). Utrzymano możliwość jazdy manewrowej z minimalnym napięciem przy zablokowanym regulatorze. Sterownik wykonany został techniką analogową przy wykorzystaniu elementów średniej skali integracji.

Wstępna analiza wykazała, że nie będzie możliwe zmieszczenie aparatury układu impulsowego w przestrzeniach uzyskanych pod pudłem wagonu motorowego. Istniały dwie alternatywy umieszczenia części aparatury pod wagonami doczepnymi z koniecznością przejść wysokonapięciowych pomiędzy wagonami, lub też umieszczenie części aparatury na dachu wagonu motorowego. Wybrano alternatywę drugą. Przekształtnik został wykonany w postaci płaskiej podłużnej skrzyni szczelnie zamkniętej z wystającymi na zewnątrz w dół chłodnicami. Uzyskano w ten sposób naturalne chłodzenie elementów półprzewodnikowych strumieniem powietrza przepływającym w czasie ruchu pojazdu. Zastosowano radiatory o dużej pojemności cieplnej. Na dachu umieszczono również cześć dławików. Tym niemniej przestrzeń jaką dysponowano pod pudlem wagonu została całkowicie wypełniona przez pozostałe elementy układu.

Badania układu rozruchu impulsowego

Pełne badania wstępne układu rozruchu impulsowego przeprowadzono w laboratorium Zakładu Trakcji Centralnego Ośrodka Badań i Rozwoju Techniki Kolejnictwa. Obwód probierczy został zmontowany w oparciu o schemat pokazany na rys. 1. Zawierał on zatem wszystkie elementy rzeczywistego układu zespołu trakcyjnego w normalnej skali. Typowe dla zespołu EN57 silniki trakcyjne LK-450 o mocy ciągłej po 145 kW hamowane były hamulcem indukcyjnym umożliwiającym przejecie pełnej mocy z wałów silników. Hamulec umożliwiał pracę ze stałym, dowolnie nastawianym momentem lub ze stałą, dowolnie nastawianą prędkością obrotową,

Układ był zasilany z sieci trakcyjnej 3 kV. W początkowej fazie prób istniała również możliwość zasilania układu z generatora o regulowanym napięciu, lecz przy ograniczonej mocy.

Na stanowisku można była zainstalować jedynie dwa silniki. Z energetycznego punktu widzenia, próby jednej gałęzi można jednak uznać za miarodajne.

Próby miały na celu potwierdzenie właściwego wyboru typu przekształtnika tyrystorowego i jego współpracy z silnikami, sprawdzenie układu sterowania oraz wszystkich elementów obwodu głównego.

Analizę teoretyczną przebiegów elektrycznych w przekształtniku przedstawiono we wcześniejszych pracach [2], [3]. Obserwacje i pomiary potwierdziły poprawność obliczeń.

Przykładowe oscylogramy pokazano na rys. 2 i 3.

Minimalna wartość napięcia silników w początkowej fazie rozruchu (f = 150 Hz) wynosi ok. 60 V, a prąd ok. 50 A. Parametry te wynikają z danych obwodu komutacyjnego i częstotliwości. Jest to I etap rozruchu (rys. 3), w czasie którego pracuje się tylko w obwodzie komutacyjnym i przy zablokowanym regulatorze.

Należy zauważyć, że dla uzyskania lepszych warunków pomiarów wstępne etapy pracy układu zostały sztucznie wydłużone. Przewiduje się ich skrócenie do ok. 1 s. W zależności od wyników badań współpracy przekształtnika z rzeczywistym pojazdem trakcyjnym przewiduje się możliwość realizowania początkowej fazy rozruchu przy częstotliwości 300 Hz. Złagodzi to wymagania dla filtru wejściowego.

W drugiej fazie rozruchu następuje odblokowanie impulsów zapłonowych tyrystorów gałęzi głównej (T1 i T4 oraz T2 i T3) przy zablokowanym w dalszym ciągu regulatorze, a więc przy minimalnym wypełnieniu impulsów napięciowych. Z kolei po określonej zwłoce odblokowany zostaje regulator i prąd narasta do wartości nastawionej (III etap na rys. 3). Czas rozruchu na pokazanym oscylogramie jest stosunkowo krótki ze względu na małą bezwładność układu hamującego.

Kolejny IV etap pracy przekształtnika tyrystorowego odpowiada pracy przy stałym napięciu. Przekształtnik pracuje przy możliwie dużym wypełnieniu, które gwarantuje jeszcze prawidłowe przebiegi komutacyjne. "Okres martwy" w zasilaniu wynosi ok. 50 us i z tym związana jest strata napięcia ok. 2-3%. W tej fazie rozruch silników jest zakończony i można ewentualnie dokonać zwarcia przekształtnika stycznikami SZ. Obserwacje przebiegów towarzyszących tej czynności wykazały skokowy wzrost prądu silników nie większy niż 10 A.

Pomiar przyrostu temperatury elementów przekształtnika przeprowadzono dla założonego cyklu obciążenia obliczonego dla jednej z tras w węźle warszawskim: obciążenie prądem o wartości 110 A (średnie) przez czas 80 s, przerwa w zasilaniu 55 s. Liczba cykli wynosiła 17. Rejestrowane przyrosty temperatury nie przekroczyły wartości dopuszczalnych dla poszczególnych elementów.

Stwierdzono, że najbardziej narażone na wysokie przyrosty temperatury są uzwojenia dławików obwodu komutacyjnego. Występuje w nich wypieranie prądu w przewodach związane z impulsowym charakterem tego prądu o dużej amplitudzie - ok. 1300 A oraz dużej stromości ok. 70 A/us. Wymaga to stosowania specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych zapewniających równomierny rozkład pola.

Trwa obecnie zabudowa układu modelowego w jednym z zespołów serii EN 57. Po jej zakończeniu powinny rozpocząć się próby ruchowe, a następnie badania eksploatacyjne.

Opracowana została dokumentacja techniczna, która pozwoli na wykonanie dalszych kompletów urządzeń tyrystorowych i przeprowadzenie prób eksploatacyjnych pociągu 3-zespołowego.



Rys. 1. Schemat ideowy obwodu probierczego układu rozruchu impulsowego (na stanowisku badawczym)



Rys, 2. Oscylogramy wybranych elektrycznych przebiegów przejściowych przekształtnika tyrystorowego:
a - przebieg prądu ic oraz napięcie uc kondensatorów komutacyjnych.
b - prądu im oraz napięcia um silników trakcyjnych



Rys. 3. Oscylogram prądu rozruchu silników trakcyjnych


Bibliografia
[l] Cossie A.. Evolution de la locomotive a thyristors a la SNCF. El. Bahnen 1981 nr 1-2
[2] Czucha J.. Pazdro P.: Tyrystorowy układ rozruchu zespołu trakcyjnego. Mater. Konferencji SEP "Przyspieszona elektryfikacja w warunkach krajowych dostaw urządzeń", Wrocław czerwiec 1985
[3] Kompleksowe opracowanie układu rozruchu impulsowego jednostki EN 57. Opracowanie IWNiAE Politechniki Gdańskiej na zlecenie COBiRTK w Warszawie. Gdańsk, grudzień 1983 r. (praca nie publikowana).