Automatyka na szynach. Część 1

Ich funkcjonowanie uzależnione jest od możliwości komunikacji zarówno w obrębie pojazdu lub podstacji, jak i do centrum dyspozytorskiego. Stąd bardzo ważnym elementem wyposażenia są też systemy łączności. W artykule na przykładzie kolejnictwa przedstawiamy rozwiązania wykorzystywane w pojazdach szynowych - w pierwszej części opracowania, oraz w przypadku sieci trakcyjnej i podstacji zasilających, co opublikowane zostanie w kontynuacji artykułu.

Fot. 1. System sterowania i diagnostyki lokomotywy elektrycznej z rozruchem oporowym SySiD firmy Ente.

Pojazdy szynowe taboru kolejowego dzieli się na wagony, które służą do transportu ludzi i ładunków, oraz wyposażone w napęd i wytwarzające siłę pociągową pojazdy trakcyjne. W przypadku tych drugich są to głównie lokomotywy spalinowe oraz elektryczne. Te pierwsze, napędzane silnikami spalinowymi, są rozwiązaniami autonomicznymi, ponieważ nie muszą pobierać energii zasilającej z zewnątrz.

Dlatego wykorzystywane są zwykle tam, gdzie nieopłacalna jest budowa sieci trakcyjnej i podstacji elektroenergetycznych - na przykład na liniach lokalnych, w rejonach o niewielkim natężeniu ruchu lub na terenach, na których nie przeprowadzono jeszcze elektryfikacji.

Lokomotywy elektryczne są natomiast zasilane z zewnętrznej elektrycznej sieci trakcyjnej. Energia przekazywana jest do nich za pośrednictwem tzw. odbieraka prądu (pantografu). Jest on umieszczony na lokomotywie i ma bezpośredni kontakt z przewodami napowietrznej sieci trakcyjnej, z której pobiera prąd.

NAPĘDY LOKOMOTYW SPALINOWYCH I ELEKTRYCZNYCH

Rys. 1. Przetwornica ENI-PL3000/110DC - do zasilania z sieci trakcyjnej obwodów pomocniczych 110V w lokomotywach elektrycznych

Układy napędowe w lokomotywach spalinowych różnią się w zależności od rodzaju przekładni (mechanicznej, hydraulicznej, elektrycznej prądu przemiennego lub prądu stałego) przekazującej moment obrotowy z silnika na osie napędowe kół. Lokomotywy z przekładnią elektryczną (lokomotywy spalinowo-elektryczne) są spotykane najczęściej.

Układ napędowy tego typu składa się z prądnicy napędzanej silnikiem spalinowym, która zasila silnik elektryczny. Ten z kolei za pośrednictwem przekładni napędza zestawy kołowe lokomotywy. W przypadku pojazdów zasilanych z sieci trakcyjnej napięcia stałego wykorzystywane są silniki trakcyjne prądu stałego z rozruchem i regulacją prędkości za pośrednictwem rezystorów, tyrystorów lub tranzystorów IGBT.

W przypadku gdy wykorzystywane są elementy półprzewodnikowe, występują mniejsze straty energii niż w układach z rezystorami. Dlatego te pierwsze zdecydowanie częściej spotyka się w pojazdach szynowych poruszających się na krótszych trasach między postojami - na przykład w tramwajach niż w pociągach.

Inną możliwością jest wykorzystanie silników prądu przemiennego zasilanych przez przemienniki częstotliwości. Poza silnikami trakcyjnymi w elektrycznych pojazdach trakcyjnych i w spalinowo-elektrycznych wykorzystuje się też silniki pomocnicze. Napędzają one na przykład wentylatory lub sprężarki.

PRZETWORNICA GŁÓWNA

Rys. 2. Przetwornica ENIPL110/400AC - do zasilania trójfazowych odbiorników z pokładowej sieci 110V lokomotywy elektrycznej

Niezbędnym elementem wyposażenia pojazdów trakcyjnych elektrycznych oraz spalinowych z przekładnią elektryczną są przetwornice. W tych pierwszych obniżają one napięcie stałe 3kV z sieci trakcyjnej do napięcia stałego 110V. Jest ono dalej wykorzystywane do zasilania obwodów pomocniczych lokomotywy, takich jak systemy sterowania, oświetlenia, sygnalizacji, a także do ładowania akumulatorów, które zasilają obwody elektryczne pojazdu trakcyjnego, gdy w czasie postoju przetwornica jest wyłączona.

Podobną funkcję przetwornice pełnią w pojazdach spalinowych, gdy do zasilania obwodów lokomotywy wymagane jest inne napięcie niż to uzyskiwane z prądnicy. Przykładem takiego urządzenia jest przetwornica statyczna ENI-PL3000/110DC produkowana przez Zakład Elektroniki Przemysłowej Enika w Łodzi (rys. 1). Jej podstawowe komponenty to: filtr tłumiący wyższe harmoniczne oraz przepięcia (Z1), wysokonapięciowy falownik z tranzystorami IGBT (U1), transformator mocy (T) zapewniający separację galwaniczną między wejściem i wyjściem oraz układ prostownika (U2) i filtr napięcia wyjściowego (Z2).

Częścią przetwornicy jest również układ sterowania (A), za pośrednictwem którego łączem światłowodowym do sterownika lokomotywy przesyłane są sygnały diagnostyczne (GP i PP) informujące o parametrach pracy przetwornicy. W przypadku niesprawności któregoś z podzespołów lub otwarcia pokrywy przetwornica zostaje automatycznie odłączona od zasilania zewnętrznym stycznikiem. W ENI-PL3000/110DC zamontowano też wewnętrzny wentylator (W).

PRZETWORNICE POMOCNICZE

Oprócz przetwornicy głównej w pojazdach trakcyjnych instalowane są też przetwornice i przekształtniki pomocnicze. Zasilają one na przykład wentylatory chłodzące silniki trakcyjne, sprężarki oraz wentylatory rezystorów hamowania, jak również systemy oświetlenia zewnętrznego lokomotywy. Przykładem jest przetwornica statyczna ENI-PL110/400AC przeznaczona do zasilania trójfazowych odbiorników z pokładowej sieci 110V_DC lokomotywy elektrycznej (rys. 2).

Napięcie wejściowe jest w niej doprowadzane przez dławik wejściowy (L1) do przekształtnika podwyższającego (U1) wytwarzającego stabilizowane napięcie pośrednie, które jest dalej doprowadzane do trójfazowego falownika wyjściowego (U2). Przetwarza on stałe napięcie pośrednie na zmodulowane wyjściowe napięcie trójfazowe o stabilizowanej częstotliwości 50Hz. W celu ograniczenia zawartości harmonicznych napięcia i prądu zastosowano wyjściowy filtr trójfazowy (Z).

Przetwornice i przekształtniki są też instalowane w wagonach. Są to zarówno urządzenia, które przetwarzają napięcie z sieci trakcyjnej doprowadzane do wagonów z lokomotywy za pośrednictwem gniazd elektrycznych, jak i napięcie pokładowe np. 110V, na napięcie potrzebne do zasilania obwodów pomocniczych w wagonach. Przykładem odbiorników w wagonach są systemy oświet lenia, ogrzewania (konwekcyjnego lub nawiewnego) oraz klimatyzacji.