Zasilanie w pociągach
To trudny temat, ponieważ systemy zasilania sieci trakcyjnej różnią się w zależności od kraju, a nawet jego regionu. Wynika to stąd, że proces elektryfikacji kolei w poszczególnych państwach był prowadzony niezależnie, w związku z czym decyzje o przyjęciu konkretnych parametrów zasilania podejmowano, biorąc pod uwagę lokalne czynniki techniczne, ekonomiczne, eksploatacyjne, a nawet polityczne. Ostatecznie w Europie upowszechniły się cztery systemy zasilania trakcji:
- 1,5 kVDC, z którego wciąż korzysta część kolei we Francji i Hiszpanii, zwłaszcza na starszych liniach;
- 3 kVDC, m.in. w Polsce oraz w części kolei we Włoszech; – 15 kV 16,7 Hz w Niemczech, Szwecji, Norwegii, Austrii i Szwajcarii;
- 25 kV 50 Hz w Wielkiej Brytanii, Finlandii i w kolejach dużych prędkości m.in. we Francji, Włoszech i w Hiszpanii.
Przykład – przetwornice Bordline M35 DC firmy ABB
Przetwornica statyczna Bordline M35 DC została zaprojektowana pod kątem zasilania wyposażenia pokładowego lekkich pojazdów szynowych. Ma szeroki zakres napięć wejściowych i pracuje przy znamionowym napięciu sieciowym 600 V i 750 VDC. Zintegrowany filtr wejściowy umożliwia jej bezpośrednie podłączenie do sieci trakcyjnej. Na wyjściu zapewnia trójfazowe napięcie przemienne i napięcie stałe do ładowania akumulatora.
Główne komponenty przetwornicy Bordline M35 DC to:
- filtr wejściowy i EMC z bezpiecznikami (1);
- przekształtnik DC/DC z izolacją galwaniczną (2) dzięki transformatorowi, który zapewnia separację napięcia wyjściowego od napięcia w przewodzie napowietrznym;
- falownik trójfazowy (3) z funkcją łagodnego startu, ułatwiającą rozruch dużych obciążeń, np. sprężarek, i z filtrem sinusoidalnym (4), który wygładza napięcie wyjściowe falownika, by chronić przed przegrzaniem zasilane za jego pośrednictwem silniki;
- przekształtnik DC/DC z izolacją galwaniczną do ładowania akumulatora (5);
- moduł kontrolera AC 800PEC (6) z zasilaniem (7), sterujący niezależnie sekcjami AC i DC przetwornicy oraz monitorujący je pod kątem zwarć, przekroczenia dopuszczalnych wartości prądu, napięcia, temperatury.
Dane diagnostyczne mogą być przesyłane do systemu nadrzędnego przez interfejs ethernetowy. Przetwornicę Bordline M35 DC zabezpiecza obudowa o stopniu ochrony IP65, chłodzona zintegrowanymi wentylatorami i modułowymi radiatorami. Może zostać zamontowana na dachu i pod podłogą pojazdu.
W Polsce kilkukrotnie planowano przejść na zasilanie trakcyjne 25 kV 50 Hz. Jak dotąd jednak nie zdecydowano się na taki krok, przede wszystkim z powodu olbrzymich kosztów, jakie by się z tym wiązały – w związku z koniecznością rozbudowy krajowego systemu elektroenergetycznego o nowe linie przesyłowe i podstacje, wymaganą przebudową sieci trakcyjnej i wymianą taboru kolejowego. Obecnie znowu wraca się do tego pomysłu w ramach prac nad komponentem kolejowym CPK.
Typ sieci trakcyjnej wpływa na układy zasilania pojazdów szynowych. Na rysunku 1 przedstawiono ich porównanie przy 3 kVDC (rys. 1 a) i 25 kV 50 Hz (rys. 1 b). W pierwszym przypadku napięcie DC jest doprowadzane do napędu silników trakcyjnych, przetwornicy zasilającej obwody pomocnicze w lokomotywie i przetwornic w wagonach, które również zasilają obwody pomocnicze, np. oświetlenie i wentylację. Także napięcie 25 kVAC, po obniżeniu w transformatorze wejściowym, zasila napęd silników trakcyjnych i, za pośrednictwem przetwornic, różne obwody pomocnicze w lokomotywie i wagonach.
Na rys. 2 zostały przedstawione przykładowe konfiguracje przetwornic z napięciem wejściowym DC (rys. 2 a) i AC (rys. 2 b). Ich główne bloki funkcyjne to: przekształtniki DC/ AC i AC/DC, filtry, transformatory. Dostępne są także przetwornice wielosystemowe, dostosowane do napięć wejściowych DC i AC w różnych zakresach, co zapewnia interoperacyjność z różnymi systemami zasilania sieci trakcyjnej. Dzięki postępowi w energoelektronice i materiałach magnetycznych nowoczesne przetwornice charakteryzują: wysoka niezawodność i sprawność energetyczna, szeroki zakres dopuszczalnych napięć wejściowych i temperatur pracy, odporność na przepięcia i przeciążenia.
