Transport szynowy - energoelektronika, automatyka, komunikacja

Część 1: Energoelektronika na kolei

Urządzenia energoelektroniczne zaczęto wykorzystywać na kolei w latach 30. zeszłego wieku. Początkowo były to na przykład rtęciowe prostowniki łukowe i cyklokonwertery. Wraz z rozwojem energoelektroniki, która ewoluowała od tyrystorów przez tranzystory mocy po tranzystory IGBT i wreszcie urządzenia energoelektroniczne na bazie węglika krzemu SiC, również kolej korzystała na postępie w tej dziedzinie. W efekcie zakres zastosowań energoelektroniki w transporcie szynowym jest obecnie bardzo szeroki.

Przykładem są oparte na urządzeniach energoelektronicznych transformatory trakcyjne. Również podłączone do nich pomocnicze układy zasilania zasilają wyposażenie pokładowe pociągów, w tym oświetlenie, ogrzewanie, klimatyzację i automatykę wagonową za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych. Urządzenia energoelektroniczne stanowią także ważny element zaliczanych do systemów FACTS (Flexible AC Transmission Systems) kompensatorów mocy, poprawiających współczynniki mocy układów zasilania trakcji. W obszarze zastosowań energoelektroniki mieszczą się ponadto napędy silników trakcyjnych oraz układy hamowania regeneracyjnego. Wybrane z nich przedstawiamy dalej szerzej.

Transformatory trakcyjne

W początkach historii kolei elektrycznych najpopularniejszym źródłem ich zasilania był prąd stały. W związku z tym, że wówczas nie było możliwości obniżenia napięcia prądu stałego na pokładzie pociągu, transmisja z podstacji musiała odbywać się przy niskim napięciu (typowo 75 V‒3000 V). W przeciwnym razie nie mogłoby być podawane bezpośrednio do silników trakcyjnych. Negatywną konsekwencją takiego rozwiązania były znaczące straty przewodzenia w liniach napowietrznych. W miarę postępu elektryfikacji transportu szynowego pociągi zaczęto zasilać prądem zmiennym przy wyższych napięciach (15 kV/16,7 Hz, 25 kV/50 Hz). Wprawdzie zmniejszyło to straty przesyłowe, ale pociągami trzeba było przewozić duże, ciężkie transformatory.

Początkowo, kiedy wagony były ciągnięte przez lokomotywę, jej dodatkowe obciążenie nie było problemem. Wręcz przeciwnie, okazywało się przydatne ze względu na zależność przyczepności lokomotywy, która wpływa na siłę, z jaką ciągnie wagony, od jej ciężaru. Jednak w nowoczesnych pociągach, w których wyposażenie trakcyjne nie jest instalowane wyłącznie w lokomotywie, bo wagony mają własny napęd, przyczepność nie ogranicza już możliwości rozpędzania się pociągu. W związku z tym rozmiary i waga transformatorów trakcyjnych stały się kłopotliwe. Potrzeba ich ograniczenia doprowadziła do opracowania transformatorów nawet kilkaset razy mniejszych oraz lżejszych niż tradycyjne. Pracują one przy wyższych częstotliwościach i wykorzystują przekształtniki energoelektroniczne.

Ze względu na specyfikę transportu szynowego komponenty układów zasilania pociągów narażone są na liczne trudne warunki środowiskowe. Z powodu zagrożenia bezpieczeństwa, jakim ich awaria może skutkować, ich odporność na nie jest standaryzowana. W związku z tym ich producenci są zobowiązani do zapewnienia zgodności z szeregiem norm międzynarodowych, a często również i lokalnych.

Normy dla kolejnictwa

Podstawowym dokumentem jest EN 50155. Jest to europejska norma dotycząca wyposażenia elektronicznego przeznaczonego do sterowania, regulacji, zabezpieczenia, diagnostyki, zasilania w energię itp., montowanego w pojazdach szynowych. Kolejny przykład to EN 50121-3-2, która obejmuje aspekty kompatybilności elektromagnetycznej w zakresie emisji i odporności aparatury elektrycznej oraz elektronicznej przeznaczonej do stosowania w taborze kolejowym. Wyposażenia pociągów dotyczą również szczegółowe normy w zakresie EMC, w tym: EN 61000-4-2, w której określono wymagania odporności oraz metody badań urządzeń elektronicznych i elektrycznych narażonych na wyładowania elektrostatyczne, EN 61000-4-3, dotycząca promieniowanego pola elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej, EN 61000-4-4 – serii szybkich elektrycznych stanów przejściowych i EN 61000-4-6 – zaburzeń przewodzonych. Przestrzegać należy oprócz tego zaleceń zebranych w EN 61373. W dokumencie tym przedstawiono wytyczne badań elementów wyposażenia pojazdów szynowych, które są narażone na wibracje i udary mechaniczne wynikające ze specyfiki warunków eksploatacji pociągów. Ważna jest ponadto norma EN 45545, która reguluje ochronę przeciwpożarową taboru kolejowego.

Warunki środowiskowe na kolei

Chcąc zachować zgodność z powyższymi normami projektując urządzenia energoelektroniczne do użytku na kolei, konstruktorzy powinni zwracać szczególną uwagę na warunki ich użytkowania. Takim jest temperatura. Pod tym względem różne regiony świata znacznie się różnią, dlatego w normie EN 50155 wprowadzono podział na klasy: OT1 –25°C do +55°C, OT2 –40°C do +55°C, OT3 –25°C do +70°C, OT4 –40°C do +70°C, OT5 –25°C do +85°C i OT6 –40°C do +85°C. Nakłada się też ograniczenia na ilość generowanego przez elektronikę ciepła – na przykład zasilacze, by się nadmiernie nie nagrzewały, powinny mieć sprawność co najmniej 85%. Problemem jest także ciągłe narażenie na wstrząsy i uderzenia, które mogą powodować luzowanie i rozłączanie się elementów elektrycznych i elektronicznych. Aby uniknąć problemów z nadmiernym zawilgoceniem, norma EN 50155 wymaga, żeby zasilanie taboru kolejowego projektowano do pracy przy średniej rocznej wilgotności względnej poniżej 75% i przez 30 kolejnych dni w roku przy wilgotności względnej 95%. Odporność na mgłę solną oraz zabrudzenia zapewniają odpowiednio zabezpieczone obudowy. Wyposażenie pojazdów szynowych musi też spełniać wymagania pod względem palności, emisji dymu i uwalniania toksycznych substancji podczas spalania. Urządzenia energoelektroniczne do użytku na kolei powinny być też odporne na wahania napięcia zasilania, jego przerwy, przepięcia i odwrócenie.

Transformatory energoelektroniczne

Na rysunku 1 został przedstawiony obwód zasilania pociągu prądem zmiennym. W tym schemacie prąd z sieci trakcyjnej płynie przez uzwojenia pierwotne transformatora niskiej częstotliwości do szyny, która zapewnia ścieżkę powrotną. Obniżone napięcie z uzwojeń wtórnych jest podawane na czterokwadrantowy przerywacz, który przekształca je na napięcie obwodu pośredniczącego. Te następnie falownik przekształca w prąd przemienny zasilający silniki trakcyjne. Aby wykorzystać transformator średniej częstotliwości, obwód należy uzupełnić o przekształtniki włączone przed i za tym transformatorem, jak pokazano na rysunku 2.

Rys. 1. Obwód zasilania pociągu prądem zmiennym

Rys. 2. Obwód zasilania pociągu z transformatorem energoelektronicznym

Na rysunku 3 przedstawiono przykład schematu układu transformatora energoelektronicznego SN/nN. Po stronie średniego napięcia wyposażony został w szeregowo połączone przekształtniki AC/DC. Zapewnia to odpowiednio wysokie napięcie w obwodzie pośredniczącym dla strony SN. Do przeniesienia energii na stronę niskiego napięcia wykorzystywane są przekształtniki DC/AC i transformatory średniej częstotliwości. Na wyjściu umieszczony jest przekształtnik DC/AC, który umożliwia zasilenie sieci nN. Układ uzupełniono o dodatkowy przekształtnik DC/DC, który zasila magazyn energii. Dzięki temu jej nadmiar można gromadzić, a potem wykorzystywać w razie braku zasilania z sieci trakcyjnej.

Rys. 3. Transformator energoelektroniczny SN/nN

W praktyce transformatory energoelektroniczne mają postać kaskady modułów konwerterów (rys. 4). Przykład zestawu modułów przekształtników po stronie wysokiego napięcia, z wyjściami połączonymi równolegle po stronie prądu stałego, przedstawia rysunek 5. Zaletą tej architektury jest możliwość korekcji współczynnika mocy. Ważne jest także niezależne przełączanie poszczególnych modułów. Jeżeli są załączane naprzemiennie w odpowiedni sposób dzięki ich pozornej, wysokiej częstotliwości przełączania, można ograniczyć zniekształcenia harmoniczne.

Rys. 4. Moduł przekształtników transformatora energoelektronicznego

Rys. 5. Kaskada modułów przekształtników transformatora energoelektronicznego

Kompensatory mocy

Kolejny przykład to statyczne kompensatory mocy biernej, zaliczane do elastycznych systemów przesyłowych prądu przemiennego FACTS. W porównaniu z kompensatorami tradycyjnymi, które wykorzystują łączniki elektromechaniczne, kompensatory z komponentami półprzewodnikowymi zapewniają płynniejszą regulację, są dokładniejsze oraz szybsze. Wyróżnia się dwa ich typy. W wersji podstawowej są to układy SVC (Static Var Compensator), zbudowane z kondensatorów, dławików i kluczy tyrystorowych. W oparciu na komponentach pasywnych pierwszego typu realizowane są układy typu TSC (Thyristor Switched Capacitors). W przypadku kondensatorów załączanych tyrystorowo nie jest możliwa płynna regulacja. Ograniczenie to dotyczy też dławików załączanych tyrystorowo TSR (Thyristor Switched Reactor). Regulacja ciągła, dzięki sterowaniu kątem załączenia tyrystora, jest z kolei możliwa w dławikach regulowanych tyrystorowo TCR (Thyristor Controlled Reactor). Wymagają jednak dodatkowych filtrów, ponieważ są źródłem harmonicznych. Na rysunku 6 przedstawiamy zasadę pracy układu TCR. Składa się on z dławika połączonego szeregowo z kluczem tyrystorowym. Prąd, który płynie przez cewkę, jest regulowany w zależności od kąta fazowego impulsów załączania tyrystora – przy 90° na dławiku odkłada się maksymalne napięcie, a przy 180º spada do zera.

Rys. 6. Układ TCR

W rezultacie prąd można zmieniać między wartością zależną od impedancji cewki a zerem. Z modułów TSC, TSR i TCR komponuje się układy SVC (rys. 7).

Rys. 7 Układ SVC

Co wyróżnia kompensatory STATCOM?

Alternatywą dla nich są układy STATCOM (Static Synchronous Compensator), czyli statyczne kompensatory synchroniczne. Wyróżnia je lepsza w porównaniu do SVC płynność regulacji oraz mniejsza emisja zaburzeń harmonicznych. Przewagę tę uzyskują dzięki temu, że opierają się na tranzystorowych przekształtnikach energoelektronicznych, Choć statyczne kompensatory są droższe, sprawdzają się szczególnie tam, gdzie można się spodziewać dużych wahań w przepływie mocy, na przykład właśnie na podstacjach trakcyjnych. Wykorzystywane są również układy hybrydowe, które stanowią połączenie układów SVC i STATCOM – zwykle wówczas te drugie w pierwszych stanowią alternatywę dla sekcji TCR.

Kompensatory obu typów mają wiele zalet. Najważniejsze z nich to możliwość: dynamicznego równoważenia obciążeń niesymetrycznych zasilanych z dwóch faz trójfazowej sieci zasilającej, dynamicznego łagodzenia wahań napięcia w sieci zasilającej spowodowanych dużymi wahaniami obciążeń charakterystycznych dla ruchu kolejowego i eliminacji harmonicznych, które są wprowadzane do sieci zasilającej z urządzeń trakcyjnych. Oprócz tego kluczowa jest niezależna od zmian i wahań obciążenia korekcja współczynnika mocy. Dzięki układom SVC i STATCOM można też łatwiej zaspokoić potrzeby w zakresie zasilania lokomotyw dużej mocy bez obaw o wystąpienie spadków napięcia w sieci trakcyjnej.

Hamowanie regeneracyjne

Kolej jest znaczącym odbiorcą energii elektrycznej. I chociaż w przeliczeniu na pasażera jej zużycie jest stosunkowo małe w porównaniu do energochłonności innych środków transportu, ciągle istnieje spory potencjał, jeżeli chodzi o poprawę sprawności energetycznej taboru kolejowego. Jednym ze sposobów jest tytułowa technika.

Aby tę metodę wyjaśnić, warto na wstępie przypomnieć, że ruszając ze stacji, pociąg najpierw przyspiesza, pobierając energię z sieci trakcyjnej albo trzeciej szyny (szyny zasilającej, znajdującej się obok szyn trakcyjnych). Następnie, gdy prędkość pociągu jest prawie stała, pobiera on znikomą ilość energii. W trybie hamowania natomiast zwalnia aż do zatrzymania.

Podczas hamowania regeneracyjnego pociąg zwalnia przez odwrócenie działania swoich silników – wówczas działają one jak generatory, przetwarzając energię mechaniczną na elektryczną. Energia ta jest wykorzystywana do zasilania obciążeń pomocniczych pociągu, zaś jej nadwyżka jest kierowana z powrotem do trzeciej szyny. W bardzo gęsto zaludnionych regionach, w których odległość między stacjami jest niewielka, cykle przyspieszania/hamowania pociągów często się powtarzają. Można zatem odzyskać w ten sposób znaczącą ilość energii.

Jak odzyskać najwięcej energii?

Energia hamowania regeneracyjnego przekazywana z powrotem do trzeciej szyny przez hamujący pociąg może być wykorzystana przez sąsiednie pociągi, które akurat nabierają prędkości w obrębie tego samego odcinka zasilania, co hamujący. Wiąże się to jednak z dużym poziomem niepewności, ponieważ nie ma gwarancji, że dwa takie składy "spotkają się" w odpowiednim miejscu i czasie, gdy dostępna będzie odzyskana energia i jednocześnie wystąpi na nią zapotrzebowanie. Ponadto jej ilość, która może być ponownie wykorzystana przez inne pociągi, zależy od wielu czynników, w tym ich prędkości i możliwości sieci trakcyjnej.

Jeżeli akurat nie ma składów, które mogłyby wykorzystać tę odzyskaną energię, napięcie trzeciej szyny wzrośnie. Sieć trakcyjna, w celu ochrony podłączonego do niej obciążenia, jest oczywiście przed tym zabezpieczona. Wówczas nadmiar tej energii jest rozpraszany na ciepło. Powoduje to jej stratę i zwiększa obciążenie termiczne infrastruktury kolejowej – dodatkowe ciepło na przykład w tunelu musi zostać rozproszone przez system wentylacji.

Na różne sposoby próbuje się zwiększyć wykorzystanie energii odzyskiwanej podczas hamowania regeneracyjnego. Przykładowe rozwiązania obejmują: optymalizowanie rozkładu jazdy pociągów w celu zsynchronizowania zwalniania i przyspieszania różnych składów, systemy magazynowania, w których gromadzi się energię hamowania odzyskowego i dopiero w razie potrzeby przekazuje ją do trzeciej szyny, podstacje trakcyjne rewersyjne ze ścieżką przepływu energii w odwrotnym kierunku w celu oddania tej odzyskanej z powrotem do sieci energetycznej oraz systemy hybrydowe, które wykorzystują jednocześnie dwa ostatnie rozwiązania.

HMI w pojazdach szynowych

Projektując panele sterowania w kabinach maszynistów, na uwadze należy mieć dwa wymagania: specyficzne warunki pracy i konieczność zapewnienia przejrzystego i łatwego w użyciu interfejsu człowiek – maszyna. HMI powinien być trwały (odporny na wibracje oraz skrajne temperatury), maksymalnie użyteczny i intuicyjny w obsłudze. Zmniejsza to ryzyko popełnienia przez operatora błędu, a dzięki temu zwiększa się bezpieczeństwo personelu i pasażerów. Ważne są także estetyka wykonania oraz zgodność z zasadami ergonomii.

Od projektu HMI oczekuje się by: zwiększał świadomość sytuacyjną operatora systemu sterowania pociągiem, spełniał jego oczekiwania w zakresie spójności i przewidywalności, minimalizował jego obciążenie przetwarzaniem danych, przedstawiał mu informacje, które jak najlepiej charakteryzują i przewidują stan systemu. Kluczowe jest też to, by nie pozwalał na bierność, pasywny operator jest bowiem mniej wyczulony na bieżący stan systemu, bardziej skłonny do nadmiernego polegania na nim, a jego zdolność do stosownej reakcji, kiedy sytuacja tego wymaga, zmniejsza się. Panel HMI powinien w związku z tym wymuszać na operatorze działanie świadczące o tym, że jest on w stanie gotowości w celu utrzymania jego świadomości i zaangażowania w system. Ponieważ cechuje nas selektywna uwaga, co oznacza, że możemy przetwarzać naraz jeden, co najwyżej dwa, strumienie danych, bez ich utraty informacje prezentowane operatorom muszą być skondensowane i mieć przejrzystą formę. Oznacza to w praktyce, że: nie powinno się mu dostarczać zbyt wielu szczegółów tekstowo, ostrzeżenia muszą korelować z poziomem ryzyka, dane powinny być podzielone według ważności i funkcji, informacje muszą być prezentowane w spójny sposób, to znaczy, że te podobne, na przykład ostrzeżenia, należy oznaczać podobnie. Musi także być zapewniony logiczny i spójny związek między działaniami operatora a ich skutkami. Projekt HMI powinien także przewidywać błędy ludzkie i wyłapywać je, nim takie działania wpłyną na system sterowania. Wśród rozwiązań, które pozwolą na spełnienie tych wymagań, wymienić można: grupowanie informacji i wyświetlanie tych krytycznych w centrum pola widzenia operatora, umieszczanie wyświetlaczy obok elementów sterujących wpływających na prezentowane na nich dane, a zarazem w zasięgu operatora, tak aby minimalizować konieczność zmiany przez niego zajmowanej pozycji w celu dosięgnięcia do nich, rozmieszczenie kontrolek zgodnie z oczekiwaną kolejnością ich użycia, wyświetlanie krótkich, prostych informacji tekstowych, bez skrótów tam, gdzie to możliwe. Ponadto decyzje krytyczne dla bezpieczeństwa powinny wymagać więcej niż jednego działania. Minimalny kontrast wyświetlacza to 3:1, a preferowany 7:1. Operator powinien mieć możliwość regulacji jasności i kontrastu ekranu. Należy też ograniczyć liczbę użytych kolorów.

Podstacje rewersyjne

Schemat blokowy podstacji odwracalnej (dwukierunkowej) został przedstawiony na rysunku 8. Jak pisaliśmy wyżej, zapewnia ona drogę powrotną dla energii odzyskanej podczas hamowania, która jest przekierowywana do głównej sieci zasilającej. Podstacje tego typu projektowane są pod kątem utrzymania akceptowalnego poziomu jakości energii elektrycznej i maksymalnego wykorzystania energii z hamowania regeneracyjnego. To drugie sprawia, że choć są zaprojektowane tak, by mogły przekazywać nadmiar odzyskiwanej energii z powrotem do sieci energetycznej, priorytetem jest jednak jej wymiana między pociągami.

Rys. 8. Schemat blokowy podstacji odwracalnej

Istnieją dwa popularne sposoby uzyskania odwrotnej ścieżki dla przepływu energii. W pierwszym wykorzystywana jest przetwornica DC/AC w połączeniu z prostownikiem diodowym, zaś w drugim odwracalny prostownik sterowany tyrystorem. Pierwszą konfigurację opiera się przeważnie na przetwornicy z modulacją szerokości impulsu albo na połączonym przeciwrównolegle prostowniku sterowanym tyrystorem. W tym drugim przypadku wymagany jest autotransformator i dławik prądu stałego w celu zwiększenia napięcia oraz ograniczenia prądów krążących pomiędzy prostownikiem sterowanym tyrystorem a prostownikiem diodowym. Aby ograniczyć harmoniczne, wykorzystuje się przykładowo układ 12-pulsowy. Przetwornice PWM mają natomiast tę zaletę, że pracują przy współczynniku mocy równym jedności. Aby je wykorzystać, w podstacji odwracalnej należy jednak wstawić przetwornicę podwyższającą napięcie DC/DC między przetwornicę PWM a szynę DC. Dodatkowo, żeby zredukować poziom harmonicznych oraz uniknąć cyrkulacji prądu, na wyjściu przetwornicy należy dodać filtr.

Michał Łęcki

Elmark Automatyka

Jakie są perspektywy rozwojowe branż pojazdów i infrastruktury szynowej?

W naszej dziedzinie, czyli komunikacji przemysłowej, głównym kierunkiem rozwoju w sektorze kolejowym będzie przede wszystkim cyberbezpieczeństwo. Wiąże się to z uchwaloną dyrektywą NIS 2. Wprowadza ona sporo zmian względem dostawców usług kluczowych, a kolej będzie musiała zaadresować ten problem. Jeżeli natomiast spojrzymy na aspekt ogólny, to największe perspektywy rozwoju dla sektora stwarza projekt CPK, który mocno adresuje w swoich założeniach kolej.

Jakie są nowości technologiczne w omawianym zakresie i perspektywy dla dostawców na rynku?

W kwestii komunikacji przemysłowej obserwujemy silny trend związany z cyberbezpieczeństwem, przy czym rynkowo jesteśmy dopiero na etapie analizy potrzeb. W związku z tym z perspektywy dostawcy tego typu rozwiązań omawiamy możliwości wdrażania systemów IPS/IDS na pojazdach lub automatyce systemów SRK. Tego typu projekty nie są jednoznaczne i zawsze wiążą się z usługą PoC.

Aktualnie największą nowością, jaką widzimy w obszarze komunikacji przemysłowej, jest system Intrusion Prevention System dedykowany dla pojazdów szynowych tj. posiadający certyfikację EN 50155.

Czego można się spodziewać w najbliższym czasie jeżeli chodzi o omawiany rynek?

Aktualnie rynek się nasycił, co przekłada się na pewne wyhamowanie w sektorze kolejowym. Widzimy np. mniejszą liczbę przetargów ogłaszanych przez spółki. Dla odmiany obserwujemy pewne ożywienie w obszarze projektowym – zwłaszcza powiązane z CPK.