TRAKCJA ELEKTRYCZNA

PODSTACJE TRAKCYJNE

ZESPOŁY PRZETWÓRCZE

ZASADA DZIAŁANIA
  W podstacjach trakcyjnych prądu stałego przetwarzaniem prądu przemiennego na prąd stały zajmują się zespoły przetwórcze transformator - prostownik.
Włączając pojedynczy element w obwód prądu przemiennego uzyskamy tylko prostowanie jednopołówkowe. Stosując układ Graetza można uzyskać prostowanie dwupołówkowe, jednak prąd po wyprostowaniu ma przebieg tętniący. Lepszym sposobem jest stosowanie układów wielofazowych co daje nam możliwość uzyskania prądu zmiennego o mniejszej amplitudzie tętnień. Najlepszą metodą prostowania prądu jest prostowanie dwupołówkowe układów wielofazowych. Tętnienie prądu jest minimalne i mniejsze są zakłócenia w pracy urządzeń. W podstacjach trakcyjnych prądu stałego stosowane są zwykle układy 6-fazowe, czasem nawet 9-fazowe. Jeszcze lepsze prostowanie dają układy 12-fazowe. W zależności od liczby faz różne są wartości średnie napięcia na wyjściu prostownika. Im większa jest liczba pulsów, tym wartość średnia napięcia wyprostowanego jest większa.


  Z oczywistych względów pierwsze dwa układy nie mogą pełnić roli prostowników trakcyjnych. Układ trójfazowy z prostowaniem jednokierunkowym wprawdzie daje lepsze korzyści niż jednofazowy, jednak w praktyce raczej nie jest stosowany ze względu na tętnienie. Lepszą charakterystykę napięcia wyjścia można uzyskać stosując układ mostkowy. W układzie jednokierunkowym liczba pulsów jest równa licznie faz. W układzie mostkowym liczba pulsów jest dwukrotnie większa co daje mniejsze tętnienie prądu. Dodatkowo układ 6-pulsowy eliminuje konieczność stosowania przewodu neutralnego. Układ ten można rozpatrywać jako dwa układy 3-pulsowe połączone szeregowo.
W praktyce na podstacjach trakcyjnych stosuje się układy wielofazowe z transformatorów, które po stronie wtórnej mają podwojoną liczbę faz lub z transformatorów trójuzwojeniowych.

  Od czasu pojawienia się prostowników półprzewodnikowych dużej mocy, diody krzemowe i germanowe są niezastąpionym elementem prostującym. Wykorzystywane w nich jest złącze elektronowo-dziurowe zwane złączem p - n.
Dioda krzemowa składa się z jednorodnego kryształu krzemu z domieszkami atomów pierwiastków o wartościowości mniejszej i większej niż wartościowość krzemu. Dzięki temu w jednej części diody gromadzi się nadmiar elektronów (warstwa n), a w drugiej powstają tzw.dziury elektronowe charakteryzujące się ładunkiem dodatnim (warstwa p). Przyłożenie napięcia o dodatnim potencjale do warstwy p, a do warstwy n o ujemnym powoduje uporządkowany ruch elektronów w diodzie. W takim stanie dioda jest przewodnikiem. Zamiana polaryzacji powoduje, że dioda staje się elementem zaworowym.

  Dioda krzemowa pracująca w trudnych warunkach (wysoka temperatura, silne pole elektryczne) traci swoje właściwości, a nawet może zostać nieodwracalnie uszkodzona jej struktura. Wartość napięcia przy, którym dioda zaczyna przewodzić nazywa się napięciem progowym. Diody krzemowe charakteryzują się małą stratą mocy, spadek napięcia wynosi około 1 V. Ciepło wydzielone na diodzie powinno być odprowadzane, aby dioda się nie przegrzała. W tym celu montuje się chłodnice zwane radiatorami, w niektórych rozwiązaniach prostownik jest chłodzony wentylatorem.

UKŁAD ELEKTRYCZNY
  Zespół przetwórczy w podstacji prądu stałego składa się z transformatora oraz prostownika. Energia elektryczna prądu przemiennego jest dostarczana do transformatora z rozdzielni prądu przemiennego. Transformator obniża napięcie a prostownik je przetwarza na stałe. W związku z tym, że prostownik nie jest w stanie idealnie wyprostować napięcia i występuje pewne tętnienie, w układzie zespołu prostownikowego znajduje się dławik katodowy, który wygładza napięcie, oraz ogranicza wartość prądów zwarcia. W podstacji trakcyjnej znajdują się przynajmniej dwa zespoły przetwórcze, z których jeden może być wyłączony, gdy pobór mocy nie jest duży.
Dawniej, gdy stosowano prostowniki rtęciowe konieczne było stosowanie wyłączników katodowych między prostownikiem a szyną zbiorczą rozdzielni trakcyjnej. Podczas gdy praca jednej anody zostałaby zachwiana i nastąpiłby przepływ prądu w kierunku przeciwnym, nastąpiło by zwarcie układu, w którym wartość prądu byłaby bardzo duża. W nowszych rozwiązaniach, gdzie stosuje się prostowniki półprzewodnikowe nie stosuje się wyłączników katodowych.
W podstacjach trakcyjnych wykorzystuje się transformatory prostownikowe, który mogą być dwuuzwojeniowe lub trzyuzwojeniowe. W zespołach przetwórczych, w których stosuje się transformatory trzyuzwojeniowe, każde z uzwojeń współpracuje z jednym układem prostowniczym. Układy te są ze sobą połączone szeregowo lub równolegle w zależności od rozwiązania. Zamiast transformatorów trzyuzwojeniowych spotkać można transformatory dwuuzwojeniowe, które po stronie wtórnej mają podwójną liczbę faz (czasem więcej).


TRANSFORMATORY
  Transformatory prostownikowe buduje się jako dwuuzwojeniowe lub trzyuzwojeniowe. Po stronie pierwotnej mogą one być połączone w trójkąt lub w gwiazdę. Transformatory dwuuzwojeniowe po stronie wtórnej mogą mieć trzy fazy lub więcej. Z uwagi na lepsze prostowanie prądu częściej stosuje się układy wielofazowe - sześcio i dwunastofazowe. Transformatory trzyuzwojeniowe po stronie wtórnej mają dwa uzwojenia. Jedno z nich może być połączone w trójkąt, a drugie w gwiazdę. Stosuje się także układy, w których oba wtórne uzwojenia są połączone w gwiazdę, przy czym uzwojenia są przesunięte względem siebie o 180^o. Środki uzwojeń połączone są ze sobą dławikiem wyrównawczych w celu kompensacji obciążeń uzwojeń.


  Rysunki A przedstawiają schematy transformatorów dwuuzwojeniowych, natomiast rysunki B schematy transformatorów trzyuzwojeniowych.

  Na rysunkach a pokazane są schematy transformatorów, które po stronie wtórnej mają 3 fazy. Uzwojenia pierwotne mogą być połączone w gwiazdę lub w trójkąt podobnie jak uzwojenia wtórne. Układy takie są niekorzystne ze względu na złą jakość prądu wyprostowanego.

Na rysunkach b przedstawione są transformatory, które po stronie wtórnej mają podwójną liczbę faz (uzwojenia są przesunięte względem siebie o 60^o). Można to osiągnąć stosując układ podwójnej gwiazdy lub układ widlasty. Tego typu transformatory są powszechnie stosowane.

Rysunek c przedstawia schemat transformatora, który po stronie wtórnej ma 12 faz (uzwojenia są przesunięte względem siebie o 30^o). Stosowanie tak dużej ilości faz daje duże korzyści energetyczne.

Na pierwszym i drugim rysunku d pokazany jest schemat transformatora trzyuzwojeniowego, którego uzwojenia po stronie wtórnej połączone są w gwiazdę, z tym że odpowiednie uzwojenia są przesunięte względem siebie o 180^o, co daje układ 6 fazowy. Środki uzwojeń połączone są za pomocą dławików wyrównawczych. Na pozostałych rysunkach d jedno z uzwojeń wtórnych połączone jest w gwiazdę a drugie w trójkąt.

  Średnia wartość napięcia wyprostowanego zależy od liczby pulsów, co jest ściśle związane z liczbą faz i rodzajem prostowania (jednokierunkowe lub dwukierunkowe (mostkowe)).
- w układach 3 fazowych na rysunku a poprzez prostowanie mostkowe można uzyskać 6 pulsów;
- w układach 6 fazowych na rysunku b przy prostowaniu jednokierunkowym uzyskujemy 6 pulsów (tyle ile jest faz), natomiast przy prostowaniu mostkowym 12 pulsów;
- w układzie na rysunku c przez prostowanie jednokierunkowe można uzyskać 12 pulsów, natomiast przez prostowanie mostkowe aż 24 pulsy;
- dwa pierwsze układy na rysunku d należy rozpatrywać jako 6 fazowe, ponieważ odpowiednie uzwojenia są przesunięte względem siebie o 180^o. Każde z uzwojeń współpracuje z osobnym prostownikiem i przy prostowaniu mostkowym prąd ma 6 pulsów, a ponieważ poszczególne pulsy uzyskane z dwóch osobnych prostowników są przesunięte względem siebie daje to 12 pulsów.
- dwa ostatnie układy z rysunku d dają 12 pulsów przy prostowaniu mostkowym ponieważ uzwojenia są przesunięte względem siebie.

  Transformatory prostownikowe przenoszą duże obciążenia, które się bardzo często zmieniają, dlatego ważne jest aby transformatory były wykonane solidne. Szczególną uwagę należy zwrócić na mocowanie uzwojeń na rdzeniu. W układzie transformatora z prostownikiem półprzewodnikowym poszczególne fazy współpracują ze sobą, dzięki temu moc obliczeniowa jest mniejsza w porównaniu z układem transformator - prostownik rtęciowy, w którym moc dostarczana była z jednego uzwojenia do jednej anody.
  Transformatory te muszą być także wyposażone w różne zabezpieczenia jak przekaźnik gazowo-podmuchowy, rurę wydmuchową, termometry stykowe lub cieplne. Wszystkie transformatory prostownikowe umieszcza się na specjalnych fundamentach na zewnątrz przy budynku podstacji. Oddzielone są od siebie ścianą ognioodporną.

PROSTOWNIKI
  Układy prostownikowe mogą być jednokierunkowe lub mostkowe. Dawne układy z prostownikami rtęciowymi budowane były jako jednokierunkowe, a zespoły przetwórcze często są po modernizacji z prostowników rtęciowych na półprzewodnikowe. Najczęściej stosowane są układy 3-fazowe lub 6-fazowe z wykorzystaniem transformatorów współpracujących dawniej z prostownikami rtęciowymi.


  Układ przedstawiony na rysunku a przedstawia schemat prostownika jednokierunkowego zasilanego z transformatora, którego strona wtórna połączona jest w układ podwójnej gwiazdy. Tego typu układy są głównie wynikiem modernizacji zespołów przetwórczych z prostownikami rtęciowymi, które mogły pracować tylko jako jednokierunkowe.

  Rysunek b przedstawia schemat połączenia transformatora dwuuzwojeniowego, którego strona wtórna połączona jest w gwiazdę i współpracuje z prostownikiem mostkowym. Zaletą tego układu jest to, że daje on 6 pulsów przy 3-fazowym transformatorze.

  Na rysunkach c przedstawione są zespoły przetwórcze, które mają transformatory trzyuzwojeniowe, gdzie strona wtórna połączona jest w gwiazdę i w trójkąt. Różnica między układami jest taka, ze w pierwszym układzie mostki połączone są ze sobą szeregowo, dzięki temu wartość napięcia wtórnego transformatora jest o połowę mniejsza (1286 V) w stosunku do wartości napięcia wtórnego transformatora z układu drugiego (2572 V), gdzie mostki są ze sobą połączone równolegle. W układzie drugim ponadto konieczne jest stosowania dławika wyrównawczego (jego działanie jest opisane w dalszej części), aby nie dopuścić do zbyt dużej asymetrii obciążeń. Dławik ten kojarzy ze sobą bieguny ujemne.

  W każdym zespole przetwórczym konieczne jest stosowanie (urządzeń wygładzających) (filtrów), które eliminują zakłócenia powstające podczas pracy prostownika.

  Każda gałąź mostka dzieli się na gałęzie (np. dwie gałęzie), w których diody połączone są ze sobą szeregowo. Spowodowane jest to koniecznością ograniczenia wartości prądowych i napięciowych na jakie zbudowane są diody. Parametry diod mogą się nieco różnić od siebie (choć fabrycznie mają takie same parametry), co może powodować nierównomierny rozkład napięć i prądów. W związku z tym każda dioda zbocznikowana jest elementami R i C, które zapewniają odpowiedni rozkład mocy. Dodatkowo niektóre zespoły przetwórcze posiadają lampy sygnalizacyjne włączone w obwody prostownicze, które informują o uszkodzeniu diody jeśli takie nastąpi. W dawniejszych rozwiązaniach do tego celu stosowało się bezpieczniki topikowe instalowane w odpowiednie gałęzie, których przepalenie się uruchamiało sygnalizację lub też łącząc w odpowiednie układy lampy neonowe.


  Rysunki a przedstawiają sposób włączenia w układ gałęzi prostownika elementów R i C, które wyrównują parametry pracy.
Układ na rysunku b przedstawia sposób włączenia lamp neonowych, które informują o stanie diody.
Oba schematy na rysunku c pokazują sposób połączenia elementów stanowiących zabezpieczenie prostownika przed skutkami przepięć łączeniowych i komutacyjnych.
Rysunki d pokazują różne rozwiązania omówionych schematów.

  Współcześnie prostowniki umieszcza się w celkach, gdzie znajdują się diody, a w dobudówce znajdują się układy RC oraz przyrządy pomiarowe.

DŁAWIKI WYRÓWNAWCZE
  Może się zdarzyć, że przy pracy dwóch mostków zasilanych z transformatora trzyuzwojeniowego, wystąpią różnice w warunkach pracy i jeden prostownik będzie odciążony, a drugi przeciążony. Sytuacja taka zakłóca pracę zespołu przetwórczego. Wobec tego między środkami uzwojeń wtórnych transformatora lub między biegunami ujemnymi układu prostownikowego (w zależności od układu połączeń zespołu przetwórczego) znajduje się dławik wyrównawczy. Jego impedancja zależy od nasycenia rdzenia, które z kolei zależy od wartości prądu. Jeśli więc jeden mostek będzie przeciążony to spowoduje to zwiększenie impedancji danego uzwojenia transformatora, co z kolei samoczynnie zwiększy impedancję danej części dławika i równowaga ponownie zostanie przywrócona. Przy małych obciążeniach prąd magnesujący dławik jest za mały, aby dławik wyrównawczy wszedł w stan nasycenia i wówczas działa jak normalne połączenie środków uzwojeń. Różnica napięć wyprostowanych może być groźna dla urządzeń i maszyn w pojazdach trakcyjnych. Zapobiega temu dławik domagnesowujący, który zwiększa nasycenie dławika wyrównawczego, co pozwala utrzymać układ w równowadze. Układy dławików domagnesowywanych zasilane są z uzwojeń transformatora lub z dodatkowych uzwojeń.


  Układy dławików domagnesowujących są skomplikowane w budowie i często zawodne. Umieszcza się je w kadzi transformatora lub też w oddzielnej kadzi.

DŁAWIK KATODOWY
  Jak już wspomniano napięcie wyprostowane przez prostownik posiada pewne tętnienie, które może powodować zakłócenia w pracy maszyn i urządzeń prądu stałego zainstalowanych w pojazdach trakcyjnych. Wobec tego w podstacjach trakcyjnych stosuje się dławiki katodowe, zwane także wygładzającymi. Dławik włączony jest szeregowo pomiędzy prostownik a szynę rozdzielni trakcyjnej (szynę plusową). Zadaniem dławika jest wygładzanie napięcia oraz ograniczanie stromości narastania prądu w czasie zwarcia. Dławik taki posiada małą rezystację, natomiast dużą indukcyjność. W przypadku zwarcia ogranicza on stromość narastania prądu zwarcia. Niestety ma on dużą wadę. Podczas nagłych zmian napięcia w obwodzie (zadziałanie wyłącznika szybkiego i otwarcie obwodu) jest źródłem silnych przepięć. Dławik katodowy pracuje indywidualnie z każdym zespołem przetwórczym. Nie stosuje się jednego, wspólnego dławika dla całej podstacji.

UKŁAD PRZESTRZENNY
  Transformator zespołu prostownikowego znajduje się na zewnątrz budynku na szynach przymocowanych do fundamentu. Jeśli obok siebie znajduje się kilka transformatorów to umieszcza się je w blokach obok siebie za ścianą ognioodporną. Obok każdego z transformatorów znajduje się dławik wyrównawczy (jeśli zespół przetwórczy tego wymaga), z którym transformator połączony jest za pomocą szyn lub kabli. Prostowniki umieszczone są w szafach wolnostojących znajdujących się w budynku podstacji trakcyjnej w pobliżu transformatora. Tuż przy nich znajduje się pomieszczenie z dławikiem katodowym. Transformator jest połączony z prostownikiem za pomocą kabli lub szyn. Zabezpieczenia zespołów przetwórczych jak wyłączniki i odłączniki umieszczone są w szafach, czasem za ogrodzeniem.

CHARAKTERYSTYKA PODSTACJI | UKŁADY URZĄDZEŃ I ICH ZADANIA | ROZDZIELNIA ENERGETYCZNA | ROZDZIELNIA TRAKCYJNA URZĄDZENIA WYGŁADZAJĄCE | ROZDZIELNIA PRĄDÓW POWROTNYCH | POTRZEBY WŁASNE | UKŁAD PRZESTRZENNY PODSTACJI PODSTACJE SPECJALNE | KABINY SEKCYJNE I ODŁĄCZNIKI

Poniżej znajdują się odnośniki do poszczególnych zagadnień związanych z trakcją elektryczną:

PODSTACJE TRAKCYJNE | OGÓLNE INFORMACJE | SYSTEMY ZASILANIA | SILNIKI TRAKCYJNE | SIEĆ TRAKCYJNA AUTOMATYKA I STEROWANIE | ELEKTRYFIKACJA I EKSPLOATACJA | HAMOWANIE ELEKTRYCZNE