Podstawy trakcji elektrycznej

1. Katarzyna Bergiel Instytut Elektroenergetyki PŁ Zespół Trakcji Elektrycznej Podstawy trakcji elektrycznej • wykład 30h • Wiadomości ogólne • Teoria ruchu pojazdów szynowych • Regulacja prędkości obrotowej silników trakcyjnych • Obliczenia trakcyjne • Zasilanie (elektroenergetyka trakcyjna) • Podstawy sterowania ruchem pociągów

2. Literatura: • Jaworski Cz.: Teoria trakcji elektrycznej. WK, Warszawa, 1956. • Podoski J., Kacprzak J.: Zasady trakcji elektrycznej WKŁ, Warszawa, 1980. • Kacprzak J., Kelles-Krauz M.: Zasady trakcji elektrycznej pojazdów komunikacji miejskiej. Skrypt WSI Radom, 1995. • Kacprzak J.: Teoria trakcji elektrycznej. Materiały do projektowania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1996 • Madej J.: Teoria ruchu pojazdów szynowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2004

3. 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: • pojazdy czerpiące energię z zewnątrz za pośrednictwem odbieraków prądowych i urządzeń zasilających (sieć górna, trzecia szyna) • pojazdy czerpiące energię z umieszczonej w nich baterii akumulatorów lub ogniwa paliwowego • 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)

4. Ważne daty z historii • 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).

5. Sprawność trakcji elektrycznej w systemie zasilania prądu stałego   Schemat zasilania sieci trakcji elektrycznej prądu stałego • 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%

6. 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.

7. Systemy zasilania kolejowej trakcji elektrycznej w Europie - mapa

8. Schemat ogólny zasilania silnika DC i AC System zasilania pojazdu z silnikiem prądu stałego i przemiennego przy napięciu stałym i przemiennym sieci trakcyjnej

9. Zestawienie rodzajów zasilania napędów trakcyjnych

10. 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.

11. 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

12. 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 Hzprędkość 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%).

13. 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.).

14. 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).

15. Próg opłacalności elektryfikacji linii (2) • Na koszty różnicowe K, które oblicza się w zł/km rok, składają się: • koszty zakupu i utrzymania taboru, • koszty energii trakcyjnej, • 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.

16. Próg opłacalności elektryfikacji linii (3)

17. Progi opłacalności elektryfikacji linii (wykresy)