WSPÓA
CZESNE NAP
DY
ELEKTRYCZNE
POJAZDÓW
KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ.
Zygmunt Giziński
Instytut Elektrotechniki
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
W ciągu ostatnich kilkunastu lat nastąpił bardzo duży rozwój zarówno
półprzewodnikowych podzespołów mocy jak i systemów sterowania.
Obecnie dostępne są wyłączane bramką tyrystory GTO o parametrach ponad 1000A
i napięcie do 6500V jak i tranzystory IGBT o prądzie maksymalnym ponad 1000A i na
napięcie maksymalne 6400V. Stwarza to możliwości budowy nowych układów regulacyjnych
i napędowych zarówno z silnikami prądu stałego jak i silnikami asynchronicznymi.
Programowalne układy sterowania umożliwiają budowę systemu sterowania
rozproszonego znacznie zmniejszającego możliwość zakłócenie ich pracy.
System ten umożliwia oddzielenie sterownika pojazdu umieszczanego zazwyczaj
blisko kabiny maszynisty od sterownika napędu umieszczanego przy przekształtniku.
Połączenie obu sterowników i pulpitu kierowcy realizowane jest za pomocą światłowodów.
Pulpit kierowcy wyposażony jest w monitor wyświetlający aktualne parametry pracy
układów regulacyjnych jak i sygnały diagnostyczne o rodzaju awarii i sposobie postępowania.
System rejestracji zdarzeń umożliwia odczytanie awarii w zajezdni.
Stosowane obecnie układy napędowe
trolejbusów
Na rys. 1 przedstawione są tyrystorowe układy regulacyjne sprzed kilkunastu lat oraz
współczesny układ tranzystorowy IGBT.
Pierwszy z tych układów dotychczas jest eksploatowany w kilku trolejbusach
natomiast drugi (IGBT) w najnowszych trolejbusach w Lublinie i Gdyni.
Układ klasyczny zbudowany był w oparciu o tyrystory wymagające wymuszonej
komutacji przeciwprądem realizowanej przez dodatkowy kondensator CK i tyrystor T2. Układ
ten wymaga również zmiany konfiguracji obwodu przy przejściu z rozruchu na hamowanie za
pomocą styczników SR i SH.
Zastosowany w najnowszych trolejbusach układ regulacyjny IGBT nie wymaga
przełączenia obwodu przy przejściu z rozruchu na hamowanie.
Efektywne hamowanie elektrodynamiczne uzyskuje się więc szybciej o ok. 300 ms co
ma wpływ na bezpieczeństwo ruchu.
Pod względem parametrów trakcyjnych układy te są porównywalne. Natomiast pod
względem niezawodności pracy układ IGBT posiada istotne następujące zalety:
2
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
- zmniejszona liczba styczników
- zmniejszona liczba elementów półprzewodnikowych
- wyeliminowanie kondensatora komutacyjnego
- pewne wyłączenie rozruchu lub hamowania niezależne od napięcia sieci i stanu
naładowania kondensatora komutacyjnego
- dwukrotnie wyższa częstotliwość regulacji umożliwiająca eliminację dławika
wygładzającego
- szybkie (kilka mikrosekund) wyłączenie zwarć i przeciążeń ograniczające skutki
termiczne i zwarciowe w silniku
- większa odporność układu na zakłócenia dzięki sterowaniu tranzystorów
światłowodami.
Regulacyjny układ IGBT jest eksploatowany od kilku lat w dziesięciu trolejbusach
w Lublinie, Gdyni, Tychach i Kownie. Wyniki eksploatacyjne w pełni potwierdzają
poprawność pracy zastosowanego układu. Zmniejszenie kosztów konserwacji i napraw,
a przede wszystkim znaczne oszczędności energii uzyskane dzięki bezoporowej regulacji
i hamowaniu rekuperacyjnemu (do 40%) w porównaniu z trolejbusami z klasycznym układem
regulacji wskazują również na ekonomiczne uzasadnienie celowości stosowania takich
układów w trolejbusach.
Napędy asynchroniczne
Falownikowe układy napędowe z silnikami asynchronicznymi coraz częściej
stosowane są w nowych trolejbusach. Zaletą takich układów jest silnik bezkomutatorowy
z założenia zapewniający większą bezawaryjność pracy i mniejszy koszt zakupu. Układ
regulacyjny zbudowany z siedmiu tranzystorów jest jednak droższy od przekształtnika prądu
stałego wymagającego tylko trzech tranzystorów. Całkowita sprawność energetyczna napędu
asynchronicznego jest porównywalna ze sprawnością napędu prądu stałego.
Całkowity koszt napędu asynchronicznego będzie wyższy o ok. 20% w porównaniu
z napędem prądu stałego.
W kraju w próbnej eksploatacji znajdują się dwa tramwaje z napędem
asynchronicznym, zaprojektowane i wykonane przez Instytut Elektrotechniki we współpracy
z Tramwajami Warszawskimi i Zakładem WOLTAN.
3
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Wykonanie napędu asynchronicznego dla trolejbusu nie przedstawia obecnie trudności
technicznych. Wymaga jednak zaprojektowania i wykonania przystosowanego do napędu
trolejbusu silnika trójfazowego. Prace nad takim silnikiem są prowadzone przez Instytut
Elektrotechniki, a wstępne uzgodnienia z przewidzianym producentem (EMIT- Żychlin)
potwierdzają możliwość wykonania silnika o mocy 150 kW.
Pozostałe podzespoły do budowy falowników i układu sterowania są obecnie
dostępne.
Zasobniki energii
Zwrot energii rekuperacji podczas hamowania elektrodynamicznego zależny jest od
obciążenia sieci trakcyjnej przez inne pojazdy.
Teoretycznie energia utracona może osiągnąć do 40% energii pobranej na rozruch
i jazdę, praktycznie jednak ze względu na liniowość i sekcjonowanie sieci zasilającej oraz
gÄ™stość ruchu wartość zwracanej energii nie przekracza 20÷30%. Znaczna część energii
tracona jest, więc w opornicach.
Energię tę można odzyskać przez zastosowanie zasobników energii instalowanych na
podstacjach lub pojazdach. Podczas rozruchu zasobniki zwracajÄ… energiÄ™ do pojazdu
wspomagając układ zasilania podstacji.
W próbnej eksploatacji znajdują się dwa rodzaje zasobników:
- bezwÅ‚adnoÅ›ciowy z wysokoobrotowym wirnikiem 30÷40 tys. obr/min z Å‚ożyskami
magnetycznymi,
- pojemnościowy z baterią specjalnych kondensatorów o łącznej pojemności
kilkadziesiąt faradów.
Zasobnik bezwładnościowy
Zasobnik bezwładnościowy o mocy 200 kW pokazany jest na rys. 3. Składa się on
z wirnika wykonanego z kompozytu węgiel-szkło oraz silnika umieszczonych w szczelnej
obudowie zapewniającą próżnię oraz przekształtnika dwukierunkowego przetwarzającego
energię prądu stałego na przemienną podczas hamowania i na prąd stały podczas rozruchu.
Taki zasobnik 200 kW może być zainstalowany w trolejbusie stabilizując napięcie wejściowe
i odbierając całą energię zwracaną podczas hamowania.
4
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Zasobniki instalowane na podstacjach trakcyjnych posiadajÄ… moc znamionowÄ…
ok. 1 MW, a maksymalną moc wyjściową ok. 1,5 MW. Znajdują się w eksploatacji próbnej
w metrze Londyńskim.
Zasobniki statyczne
Zasobniki kondensatorowe budowane są ze specjalnych kondensatorów
niskonapiÄ™ciowych (ok. 2,5 V) i pojemnoÅ›ci 1200÷5000 F Å‚Ä…czonych szeregowo i równolegle.
Blok tak połączonych 1300 kondensatorów o łącznej pojemności 64 F wykonany
przez firmÄ™ Siemens posiada parametry:
- napięcie znamionowe 600/750V
- pojemność energetyczna 2,3 kWh
- możliwość absorbcji energii w ciągu 1 godz. 65 kWh/h
- sprawność baterii kondensatorów 0,95
- moc szczytowa 1 MW
- wymiary 3200 x 2900 x 3200
- masa kontenera wraz z przekształtnikiem ok. 5.500 kg.
Schemat elektryczny pokazany jest na rys. 4.
Kontenery takie zostały zainstalowane na podstacjach w metrze Londyńskim
i w Australii.
Zdjęcie jednej warstwy kondensatorów wraz z elektronicznymi i rezystancyjnymi
układami zapewniającymi równomierny rozkład napięcia szeregowo łączonych
kondensatorów pokazany jest na rys. 5.
W trolejbusach można też zastosować pokładowe zasobniki energii. Kinetyczna
energia trolejbusu przy prędkości 50 km/h wynosi ok. 1.500 kJ, czyli ok. 0,42 kWh.
Uwzględniając sprawność elektrycznego hamowania energią zwracaną wyniesie ok. o,32
kWh. Do przejÄ™cia tej energii przy granicach napiÄ™cia 600÷750 V niezbÄ™dna jest pojemność
ok. 11 F.
Baterię taką można zbudować z 300 kondensatorów 2700 F, 2,5 V połączonych
szeregowo.
Koszt kondensatorów będzie wynosił ok. 100 tys. zł
5
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Koszt przekształtnika obniżająco - podwyższającego można oszacować na ok. 60 tys.
zł. Czyli całkowity koszt zasobnika energii instalowanego w trolejbusie wyniósł by
ok. 160÷200 tys. zÅ‚.
Zasobnik taki zapewnił by przejęcie całej energii hamowania, a także umożliwił jazdę
trolejbusu przy braku zasilania z sieci trakcyjnej przez czas 20÷40s ok. 500 m).
Wnioski
- W kraju wdrożona jest produkcja nowoczesnych układów napędowych prądu
stałego do trolejbusów. Wyniki eksploatacyjne wykonanych trolejbusów
potwierdzają prawidłowość przyjętych rozwiązań.
- Napęd asynchroniczny wdrożony już w tramwajach może być zastosowany
również w trolejbusach. Koszt takiego układu jest wyższy od układu napędu prądu
stałego i będzie zależał od wielkości produkcji, głównie ze względu na potrzebę
opracowania i wdrożenia produkcji nowych silników asynchronicznych.
- Rozwój technik sterowania umożliwia wzbogacenie systemów sterowania,
diagnostyki, rejestracji zdarzeń i wizualizacji parametrów technicznych trolejbusu
i układów regulacyjnych, umożliwiających szybkie wykrywanie usterek.
- Interesująca dla eksploatatorów powinna być również możliwość instalowania w
pojazdach zasobników energii. Umożliwiają one akumulowanie energii oddawanej
podczas hamowania elektrodynamicznego i zwrot jej podczas rozruchu. Zasobniki
takie umożliwiają również jazdę trolejbusu przy braku zasilania z sieci trakcyjnej.
6
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Rys. 1 Układ rozruchu i hamowania trolejbusu
Rys. 2 Falownikowy napęd trolejbusu z silnikiem asynchronicznym
7
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Rys. 3 Zasobnik bezwładnościowy
8
Współczesne napędy elektryczne pojazdów komunikacji miejskiej
Rys. 4 Schemat włączenia zasobnika
Rys. 5 Blok kondensatorów
9