Trakcja i Wagony nr. 10 z 1978
inż. Alojzy Kiełkiewicz
OBRPS w Poznaniu
Efekty zastosowania hamowania elektrodynamicznego w jednostkach 3WE (EW-58)
http://www.fotosik.pl/pokaz_obrazek/pelny/9f55b69fc9c2ca07.htmlHamowanie elektrodynamiczne, polegające na wykorzystaniu silnika
elektrycznego pracującego jako prądnica napędzana od kół rozpędzonego
pojazdu, stosowane powszechnie od dawna w tramwajach, zostało wprowadzone na
PKP po raz pierwszy do jednostek trakcyjnych 3WE (oznaczenie kolejowe EW58).
Jednostki te, których seria prototypowa znajduje się w trakcie prób i badań,
przeznaczone są do obsługi ruchu podmiejskiego o krótkich odległościach
międzyprzystankowych (średnio 1600 m), będą w pierwszej kolejności
wprowadzone do eksploatacji na linie trójmiasta (Gdańsk - Gdynia -
Wejherowo). Efektem eksploatacji jednostek 3WE (EW-58) w trójmieście, obok
zwiększenia prędkości komunikacyjnej i komfortu podróżowania w stosunku do
wycofanego w grudniu 1976 roku starego taboru 800V, będą znaczne
oszczędności żeliwa w postaci klocków hamulcowych, zużywanych przy hamowaniu
pneumatycznym.
Celem niniejszego artykułu jest zapoznanie czytelników z wynikami obliczeń
teoretycznych, pozwalających określić wielkości oszczędności klocków
hamulcowych przy obecnych i przewidywanych wielkościach przewozów na linii
Gdańsk - Gdynia.
Potwierdzenie określonych teoretycznie oszczędności w zużyciu klocków
hamulcowych, będzie mogło być dokonane w wyniku znajdującej się już w
eksploatacji pierwszej serii jednostek w węźle gdańskim.
Układ hamowania elektrodynamicznego jednostki
Jednostka 3WE (EW58) składa się z 3 wagonów, z których 2 skrajne są wagonami
silnikowymi, zaś wagon środkowy wagonem doczepnym (tocznym). W każdym
wagonie silnikowym znajdują się 4 silniki trakcyjne na napięcie 750 V każdy,
połączone na stałe szeregowo.
W czasie hamowania elektrodynamicznego, 4 tworniki silników każdego wagonu
połączone są szeregowo ze stałą opornością hamowania.
Opory hamowania umieszczone są na dachu wagonu. Uzwojenia wzbudzające
silników, połączone również szeregowo, zasilane są niezależnie z sieci za
pośrednictwem przetwornicy 3000/110V i impulsowego urządzenia tyrystorowego
TUHEX. Urządzenie to zapewnia zasilanie i regulację prądu wzbudzenia
silników wg zasady:
It + Iw = const
gdzie:
It - prąd twornika
Iw - prąd wzbudzenia.
Dzięki temu uzyskano praktycznie stałą siłę hamowania w zakresie prędkości
od 100 km/h do ok. 45 km/h. Od prędkości 45 km/h prąd wzbudzenia silników
osiąga wartość maksymalną, która jest utrzymywana na tym poziomie aż do
zatrzymania jednostki. W tym zakresie prędkości, to znaczy od V = 45 km/h do
0 km/h, siła hamowania elektrodynamicznego maleje liniowo do 0. Aby
skompensować to zmniejszenie siły hamowania wprowadzono układ automatycznego
wspomagania hamowania elektrodynamicznego hamowaniem elektropneumatycznym.
Dzięki temu siła hamowania jest stała w całym zakresie prędkości,
zapewniając również stałe opóźnienie hamowania. Blokowy schemat układu
hamowania jednostki oraz charakterystyki hamowania przedstawiono na
rysunkach 1 i 2.
Energia tracona w czasie hamowania
Energia kinetyczna jednostki, która musi być wytracona w procesie hamowania
wynosi:
Eh = (&alfa; x m x Vh^2)/2
gdzie:
&alfa; - współczynnik mas wirujących
m - masa jednostki z obciążeniem
Vh - prędkość początkowa hamowania
Przy średniej odległości międzyprzystankowej wynoszącej 1600 m, prędkość
początku hamowania wynosi Vh = 86 km/h. Po uwzględnieniu współczynnika mas
wirujących &alfa; = 1,08 oraz średniej masy jednostki obciążonej 170 ton z
zależności (1) można obliczyć po zmianie jednostek, że energia tracona w
czasie jednego hamowania wynosi:
Eh = 14,3 kWh
Energia ta, tracona jest w oporach hamowania zasilanych silnikami
trakcyjnymi i pracującymi jako prądnice obcowzbudne oraz w klockach
hamulcowych wspomagającego hamowania pneumatycznego, a więc:
Eh = Ee + Ep (2)
gdzie:
Ee - energia hamowania elektrodynamiczgo
Ep - energia hamowania pneumatycznego
Przy założeniu, że siła hamowania wypadkowa, pochodząca od hamowania
elektrodynamicznego i pneumatycznego jest stała-można udowodnić, że:
Ep/Eh = 1/3 x Vo^2/Vh
gdzie:
Vo - prędkość, przy której następuje włączenie hamowania pneumatycznego.
Prędkość ta dla jednostki 3WE wynosi ok. 45 km/h.
Analizując tę zależność na tle rzeczywistej, występującej przy średnich
odległościach międzyprzystankowych rzędu 1600 m, prędkości początku
hamowania Vh = 86 km/h wynika, że udział energii traconej w hamulcu
pneumatycznym jest bardzo mały i wynosi ok. 9%. A więc energia hamowania
tracona jest głównie w postaci ciepła w oporach hamowania, co przynosi
efekty w oszczędności klocków hamulcowych. Z równań (1), (2), (3) po
uwzględnieniu prędkości Vo i Vh wynika:
[ciach]
Uwzględniając więc obliczoną wyżej energie hamowania Eh wyliczymy, że
energia tracona w oporach hamowania elektrodynamicznego w czasie jednego
hamowania jednostki obciążonej od prędkości Vh = 86 km/h wyniesie:
Ee = 13,0 kWh
Przyjmując, że na trasie Gdańsk - Gdynia wielkość przewozów w godzinach
szczytu wynosi 12 500 pasażerów/h oraz, że jednostki 3WE będą kursowały w
składach po 3 jednostki sterowane wielokrotnie (9 wagonów) i przy
zapełnieniu jednej jednostki 600 pasażerami, częstotliwość kursowania
pociągów w godzinach szczytu w jedną stronę wyniesie:
12500/1800 =~ 7 pociągów/h w jednym kierunku.
W obie strony ilość pociągów będzie wynosiła 14 pociągów/h. Dla uproszczenia
można przyjąć, bazując na obecnie obowiązującym na trasie Gdańsk - Gdynia
rozkładzie jazdy, że ww. częstotliwość kursowania pociągów utrzymywana jest
w ciągu ok. 18 godzin na dobę. Wobec tego w ciągu 1 dnia (18 godzin)
wszystkie pociągi wykonują: 14 x 18 = 252 pociągokursów/dzień oraz 252 x 3 =
756 jednostkokursów/dzień.
Zakładając, że ruch odbywa się idealnie bez nieplanowych zatrzymań między
stacjami, w czasie jednego kursu na trasie Gdańsk - Gdynia dokonuje się 14
hamowań, średnio z prędkością 86 km/h.
Na podstawie tego i obliczonej wyżej energii hamowania Ee, przypadającej na
hamowanie elektrodynamiczne, można ustalić energię hamowania traconą w ciągu
dnia na trasie Gdańsk - Gdynia w opornikach hamowania elektrodynamicznego
wszystkich jednostek 3WE. Wyniesie ona: 756 x 14 x 13 = 137592 kWh.
Energia ta wyraża oszczędność klocków hamulcowych w stosunku do przypadku
realizowania takich samych przewozów pasażerskich jednostkami o tych samych
parametrach trakcyjnych, lecz bez hamowania elektrodynamicznego.
Aby określić ilość żeliwa klockowego, jaka odpowiada tej energii hamowania,
oparto się na rzeczywistych pomiarach zużycia klocków hamulcowych dokonanych
w czasie eksploatacji starego taboru 800V serii EW90 na trasie Gdańsk -
Gdynia. Na podstawie tych pomiarów ustalono, że:
- przebieg średni jednostki do maksymalnego zużycia klocka hamulcowego
wynosi 3700 km,
- maksymalne średnie zużycie klocka hamulcowego wynosi 42 mm.
Z danych tych oraz z dziennego średniego przebiegu jednostki wynoszącego 444
km można obliczyć, że dzienne zużycie jednego klocka wyniesie 5 mm, co
odpowiada masie żeliwa 1 kg, a zużycie masy żeliwa klockowego w całej
jednostce 800V dziennie, gdzie znajdują się 32 klocki, wynosi 32 kg.
Z przejazdów teoretycznych jednostki 800V ustalono, że tej wartości zużycia
masy żeliwa odpowiada energia hamowania równa 622 kWh. Z tego ustalono
wskaźnik zużycia masy klockowej żeliwa, przypadający na 1 kWh energii
hamowania, który wynosi:
32/622 = 0,052 kg/kWh
Za pomocą tego wskaźnika oraz energii hamowania Ee traconej w opornikach
hamowania elektrodynamicznego jednostek 3WE ustalono, że masa
zaoszczędzonego żeliwa w ciągu jednego dnia wyniesie 0,052 x 137592 = 7155
kg, zaś rocznie oszczędności żeliwa wyniosą 360 x 7155 = 2575800 kg.
Analogiczne obliczenie przeprowadzono przy założeniu, że przewozy na linii
Gdańsk - Gdynia według założeń prognostycznych będą wynosić w latach
1980-85 - 36000 pasażerów/h.
Przewozy te byłyby realizowane składami 9-wagonowymi jednostek 3WE (3
jednostki) z częstotliwością kursowania co 3 minuty. Przy tych założeniach
roczne oszczędności zużycia żeliwa klockowego wyniosą 7900000 kg.
Dla zobrazowania całości obliczeń ich wyniki zestawiono w tablicy. Tablica
ta przedstawia rezultaty zastosowania na linii Gdańsk - Gdynia jednostek 3WE
dla 2 wariantów wielkości przewozów:
- obecnego wynoszącego 12500 pasażerów/h,
- docelowego (lata 1980-85) szacowanego na 36000 pasażerów/h.
Dla porównania przedstawiono również dane eksploatacyjne dla jednostek
starego typu 800V, dotąd stosowanych w węźle gdańskim na linii Gdańsk -
Gdynia.
Większa masa własna jednostek 3WE oraz uzyskiwane większe prędkości,
zwiększają kilkakrotnie energię hamowania w stosunku do jednostek starego
typu, co przy hamowaniu klasycznym, klockowym prowadziłoby do bardzo dużych
strat żeliwa w postaci zużywających się klocków hamulcowych.
Zastosowane w jednostkach 3WE hamowanie elektrodynamiczne pozwala ograniczyć
straty żeliwa do ok. 9%. Oszczędności klocków hamulcowych będą znaczne
(tablica), co potwierdza dużą efektywność stosowania hamowania
elektrodynamicznego w jednostkach ruchu podmiejskiego PKP.