Trakcja elektryczna
Katarzyna Bergiel
Instytut Elektroenergetyki PŁ
Zespół Trakcji Elektrycznej
wykład 30h
1. Wiadomości ogólne
2. Teoria ruchu pojazdów szynowych
3. Regulacja prędkości obrotowej silników
trakcyjnych
4. Obliczenia trakcyjne
5. Pojazdy trakcyjne
6. Zasilanie (elektroenergetyka trakcyjna)
7. Podstawy sterowania ruchem pociągów
Literatura:
1. Jaworski Cz.: Teoria trakcji elektrycznej. WK,
Warszawa, 1956.
2. Podoski J., Kacprzak J.: Zasady trakcji elektrycznej
WKŁ, Warszawa, 1980.
3. Kacprzak J., Kelles-Krauz M.: Zasady trakcji
elektrycznej pojazdów komunikacji miejskiej.
Skrypt WSI Radom, 1995.
4. Kacprzak J.: Teoria trakcji elektrycznej. Materiały
do projektowania. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1996
5. 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:
A. pojazdy czerpiące energię z zewnątrz za pośrednictwem
odbieraków prądowych i urządzeń zasilających (sieć
górna, trzecia szyna)
B. pojazdy czerpiące energię z umieszczonej w nich baterii
akumulatorów lub ogniwa paliwowego
C. 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
1. 1834 r - Boris Jacobi (brata znanego matematyka
niemieckiego) zbudował silnik komutatorowy prądu
stałego - pierwszy silnik nadający się do celów
napędowych.
2. 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.
3. 1881 r - pierwszy tramwaj elektryczny zasilany
napięciem 150 V uruchomiony w Berlinie.
4. 1890 r - londyńskie metro (otwarte w 1863 ) zmienia
trakcję parową na elektryczną.
5. 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
elektrownia
sieć wn
sieć sn
podstacja
trakcyjna
3 kV DC
szyny
podstacja
trakcyjna
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
M
M
DC
M
M
AC
1,5 kV lub 3 kV DC
~
=
15 kV lub 25 kV AC
M
M
DC
~
=
M
M
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%).
Nowoczesny tabor kolejowy (1)
Nowoczesny tabor kolejowy (2)
Nowoczesny tabor kolejowy (3)
Nowoczesny tabor kolejowy (4)
Nowoczesny tabor kolejowy (5)
Eurostar
Nowoczesny tabor kolejowy (6)
ICE 3
Nowoczesny tabor kolejowy (7)
Shinkansen
Nowoczesny tabor kolejowy (8)
Talgo 350
Nowoczesny tabor kolejowy (9)
TGV Atlantique
Nowoczesny tabor kolejowy (10)
Thalys
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:
1.koszty zakupu i utrzymania taboru,
2.koszty energii trakcyjnej,
3.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)
trakcja
spalinowa
trakcja
elektryczna
3 kV DC
natężenie przewozowe
linii B [mln brt/rok]
próg opłacalności
koszty
różnicowe K
[zł/km rok]
jednostkowy koszt
urządzeń stałych
elektryfikacji
Progi opłacalności elektryfikacji linii (wykresy)
80% ruch pasażerski
20% ruch towarowy
B
5,5 mln brt/rok
8,6 par poc./dobę
K
linia towarowa
B
6,6 mln brt/rok
6,3 par poc./dobę
K
K
linia pasażerska
B
3,3 mln brt/rok
13,3 par poc./dobę
a)
b)
K
linia 2 - torowa
B
5,5 mln brt/rok
8,3 par poc./dobę
K
B
3,3 mln brt/rok
5,2 par poc./dobę
c)
linia 1 - torowa