rozdz.1 - Instytut Elektroenergetyki

Katarzyna Bergiel
Instytut Elektroenergetyki PŁ
Zespół Trakcji Elektrycznej
Podstawy trakcji elektrycznej
wykład 30h
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wiadomości ogólne
Teoria ruchu pojazdów szynowych
Regulacja prędkości obrotowej silników trakcyjnych
Obliczenia trakcyjne
Zasilanie (elektroenergetyka trakcyjna)
Podstawy sterowania ruchem pociągów
Literatura:
1. Jaworski Cz.: Teoria trakcji elektrycznej. WK, Warszawa, 1956.
2. Podoski J., Kacprzak J.: Zasady trakcji elektrycznej WKŁ,
Warszawa, 1980.
3. Kacprzak J., Kelles-Krauz M.: Zasady trakcji elektrycznej
pojazdów komunikacji miejskiej. Skrypt WSI Radom, 1995.
4. Kacprzak J.: Teoria trakcji elektrycznej. Materiały do
projektowania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
Warszawa 1996
5. Madej J.: Teoria ruchu pojazdów szynowych. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2004
1. WIADOMOŚCI OGÓLNE
Trakcja – z łacińskiego tractio – oznacza ciągnięcie, czyli napęd pojazdów
lądowych określany rodzajem silnika napędowego (trakcja elektryczna,
parowa, spalinowa).
Podział pojazdów elektrycznych ze względu na sposób zasilania jest
następujący:
A. pojazdy czerpiące energię z zewnątrz za pośrednictwem odbieraków
prądowych i urządzeń zasilających (sieć górna, trzecia szyna)
B. pojazdy czerpiące energię z umieszczonej w nich baterii akumulatorów lub
ogniwa paliwowego
C. pojazdy wyposażone w silnik cieplny, przekazujący energię na koła za
pośrednictwem tzw. przekładni elektrycznej. Do tej grupy należą pojazdy
dieselelektryczne, paroturboelektrowozy (para wytworzona w kotle lub
reaktorze jądrowym) oraz gazoturboelektrowozy (z turbiną gazową)
Ważne daty z historii
1.
2.
3.
4.
5.
1834 r - Boris Jacobi (brata znanego matematyka niemieckiego)
zbudował silnik komutatorowy prądu stałego - pierwszy silnik
nadający się do celów napędowych.
1879 r - jako pierwsze zastosowanie silnika elektrycznego do napędu
pojazdu uznaje się kolejkę elektryczną zasilaną z sieci jezdnej,
zademonstrowaną na międzynarodowej wystawie w Berlinie przez
Wernera Siemensa. Rok 1879 to narodziny trakcji elektrycznej.
1881 r - pierwszy tramwaj elektryczny zasilany napięciem 150 V
uruchomiony w Berlinie.
1890 r - londyńskie metro (otwarte w 1863 ) zmienia trakcję parową
na elektryczną.
1892 r - zbudowano lokomotywę elektryczną w USA, zasilaną
prądem stałym 650 V (wzorowano się na doświadczeniach
zdobytych przy budowie tramwajów).
Sprawność trakcji elektrycznej w systemie zasilania prądu stałego
elektrownia
sieć wn
sieć sn
podstacja
trakcyjna
Schemat zasilania sieci trakcji
elektrycznej prądu stałego
podstacja
trakcyjna
3 kV DC
szyny
Średnie sprawności poszczególnych elementów:
• elektrownia
0,33
• sieć zasilająca wn łącznie ze stratami na transformację
0,91
• sieć rozdzielcza średniego napięcia
0,95
• podstacje prostownikowe
0,93 (0,95)
• sieć jezdna
0,92 (0,93)
• lokomotywa
0,85
ogólna sprawność liczona od elektrowni do kół napędnych lokomotywy:
około 21%do 23%
Systemy zasilania kolejowej trakcji elektrycznej w Europie
Obecnie istnieją 4 podstawowe systemy kolejowej trakcji elektrycznej:
• prąd stały 1,5 kV – południowa Francja i Holandia (część);
• prąd stały 3 kV – Polska, południowa część Czech i Słowacji, Belgia, Włochy,
Hiszpania, część Anglii, Dania, Rosja (część europejska),
Holandia, kraje byłego ZSRR i byłej Jugosławii;
• prąd przemienny jednofazowy 16 2/3 Hz 15kV – Niemcy, Austria, Szwajcaria,
Szwecja i Norwegia;
• prąd przemienny jednofazowy 50 Hz 25 kV – pozostałe kraje – Portugalia,
Francja (TGV), Węgry, Rumunia, Bułgaria, Finlandia, część
Rosji, Czech i Słowacji, Anglii i byłej Jugosławii.
Systemy zasilania
kolejowej trakcji
elektrycznej w
Europie - mapa
Schemat ogólny zasilania silnika DC i AC
1,5 kV lub 3 kV DC
=
~
M
DC
M
M
AC
M
15 kV lub 25 kV AC
~
=
M
DC
~
~
M
M
AC
M
System zasilania pojazdu z silnikiem prądu stałego i przemiennego przy
napięciu stałym i przemiennym sieci trakcyjnej
Zestawienie
rodzajów zasilania
napędów
trakcyjnych
Rozwój trakcji elektrycznej w Polsce
•
Za początek elektryfikacji kolei w Polsce przyjęto datę 15.12.1936r
dzień otwarcia 43 km odcinka Otwock – W-wa – Pruszków.
•
Do 1939 roku oddano łącznie 104 km linii zelektryfikowanych.
Dzięki dalekowzroczności prof. Romana Podoskiego wybrano
najnowocześniejszy wówczas system 3 kV prądu stałego (3,3 kV
na podstacjach).
•
Po wojnie podjęto decyzję intensywnej elektryfikacji, zwano ją
wielką elektryfikacją kolei. Przeprowadzana etapami, dała w
efekcie około 13 tys km linii zelektryfikowanych
•
Pierwszy elektryczny tramwaj ruszył we Wrocławiu w 1891 roku
(czasy zaborów). Obecnie większość miast polskich ma sieć
tramwajową, gdzie wprowadza się w ostatnich latach nowoczesny
tabor niskopodłogowy.
•
W 1995 roku przekazano do eksploatacji pierwszy odcinek I linii
metra w Warszawie.
Linie dużych prędkości (1)
•
Pierwszą na świecie linią dużych prędkości była linia kolei japońskich Tokaido
– Shinkansen (pocisk). Jej pierwsza część o długości 515 km,
normalnotorowa, zelektryfikowana w systemie 25 kV 60 Hz, została oddana
do eksploatacji w 1964 roku. Linia zaprojektowana była do jazd z prędkością
250 km/h, jednak ruch na niej odbywał się z prędkościami rozkładowymi 210
km/h.
•
Jako duże prędkości na kolei uważa się obecnie prędkości powyżej 200 km/h.
•
Obecny rekord prędkości to 515,3 km/h osiągnięty na jednej z linii TGV kolei
francuskich. Rekord ten padł w czasie jazdy eksperymentalnej, nie
eksploatacyjnej. W czasie normalnej eksploatacji pociąg Eurosprinter osiąga
320 km/h na trasie Londyn – Paryż - Bruksela.
•
Wiodące koleje europejskie pod względem rozkładowych prędkości pociągów:
o koleje japońskie
316,8 km/h
o koleje francuskie
259,4 km/h
o koleje hiszpańskie 209,1 km/h
o koleje niemieckie 190,4 km/h
o koleje brytyjskie
182,8 km/h
Linie dużych prędkości (2)
•
W Europie pierwszą linią projektowaną dla prędkości 200 km/h była
Diretissima, łącząca Rzym z Florencją, zelektryfikowana w systemie
prądu stałego 3 kV.
•
Pierwszy odcinek linii TGV oddano do eksploatacji w 1981 roku. Była to
linia Paryż – Lyon, zelektryfikowana w systemie 25 kV 50 Hz prędkość
rozkładowa wynosiła 213 km/h. Obecnie są trzy linie (Atlantique i Nord).
Odcinki linii budowane w ostatnim okresie są dostosowane do prędkości
330 km/h.
•
Na ogólną liczbę 3260 km nowych linii dużych prędkości (dane z 2003 r),
jakie istnieją w Europie, udział poszczególnych krajów jest następujący:
Francja (TGV)
1520 km (47%),
Niemcy
796 km (24%),
Hiszpania
471 km (14%),
Włochy
246 km (8%).
Interoperacyjność kolei
Kolejowe przewozy międzynarodowe i budowana europejska sieć linii dużych
prędkości wymaga tzw. harmonizacji technicznej (ujednolicenia parametrów),
gdyż europejskie systemy kolejowe są zasadniczo niekompatybilne. Problem
ten określa się ogólnie interoperacyjnością. Efektem działań w kierunku
interoperacyjności kolei jest np. budowa pojazdów wielosystemowych oraz
wprowadzenie na główne międzynarodowe korytarze kolejowe jednolitego
systemu sterowania pociągiem ETCS (European Train Control System).
Interoperacyjność to szeroko rozumiana zgodność:
•
infrastruktury (tor, konstrukcje inżynieryjne, perony itd.);
•
zasilania (sieć trakcyjna, pokładowe liczniki energii itd.);
•
sterowania (systemy bezpiecznej jazdy, radiołączność pociągowa itd.);
•
zasad prowadzenia ruchu (przepisy ruchowe, sygnał końca pociągu,
kompetencje personelu itd.);
•
taboru (skrajnia, naciski na oś itd.).
Próg opłacalności elektryfikacji linii (1)
W określonych warunkach technicznych i ekonomicznych istnieje pewna wartość
natężenia przewozowego linii kolejowej, zwana progiem opłacalności
elektryfikacji linii, powyżej której opłaca się linię elektryfikować, a poniżej –
należy prowadzić ruch trakcją spalinową.
Przy wyznaczaniu progu elektryfikacji linii należy brać pod uwagę tylko te
składniki kosztów, które wyraźnie różnią się w obu porównywanych systemach
trakcyjnych. Koszty wspólne, jednakowe dla obu systemów nie mają wpływu na
wartość progu. Do tych pomijanych kosztów należą:
• koszty budowy i utrzymania toru;
• ogólne koszty związane z prowadzeniem ruchu i administracją – stacje i
przystanki, nastawnie kolejowe, łączność telefoniczna i radiowa,
noclegownie dla maszynistów, biura itp;
• koszty zakupu i utrzymania parku wagonowego ( w rzeczywistości są nieco
niższe dla trakcji elektrycznej, ze względu na większe prędkości handlowe
pociągów elektrycznych, co nieznacznie skraca czas obrotu wagonów, a więc
wymaganą ich liczbę);
• koszty urządzeń sterowania ruchem kolejowym (sygnalizacja kolejowa,
zabezpieczenia przejazdowe).
Próg opłacalności elektryfikacji linii (2)
Na koszty różnicowe K, które oblicza się w zł/km rok, składają się:
1.koszty zakupu i utrzymania taboru,
2.koszty energii trakcyjnej,
3.koszty urządzeń stałych elektryfikacji.
ad.1
Dla wykonania takiej samej pracy przewozowej (np. 1000 brtkm) koszty
taboru są znacznie wyższe w trakcji spalinowej niż elektrycznej. Stosunek
tych kosztów w ruchu towarowym oszacować można jako 2,4, w ruchu
pasażerskim jako 3,3 i w ruchu podmiejskim jako 4,3.
ad.2
Koszty energii trakcyjnej na wykonanie tej samej pracy przewozowej
(np.1000 brtkm) są w trakcji spalinowej około dwukrotnie większe niż w
trakcji elektrycznej.
Próg opłacalności elektryfikacji linii (3)
koszty
różnicowe K
[zł/km rok]
trakcja
spalinowa
trakcja
elektryczna
3 kV DC
jednostkowy koszt
urządzeń stałych
elektryfikacji
natężenie przewozowe
linii B [mln brt/rok]
próg opłacalności
Progi opłacalności elektryfikacji linii (wykresy)
a)
K
80% ruch pasażerski
20% ruch towarowy
B
5,5 mln brt/rok
8,6 par poc./dobę
b)
K
K
linia towarowa
linia pasażerska
B
6,6 mln brt/rok
6,3 par poc./dobę
3,3 mln brt/rok
13,3 par poc./dobę
B
c)
K
K
linia 2 - torowa
linia 1 - torowa
B
5,5 mln brt/rok
8,3 par poc./dobę
3,3 mln brt/rok
5,2 par poc./dobę
B