Podstawy trakcji elektrycznej 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

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

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)

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).

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%

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.

Systemy zasilania kolejowej trakcji elektrycznej w Europie - mapa

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

Zestawienie rodzajów zasilania napędów trakcyjnych

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.

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

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 Hz prędkość 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%).

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.).

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).

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.

Próg opłacalności elektryfikacji linii (3)

Progi opłacalności elektryfikacji linii (wykresy)