Control
Google překladač: English Deutsch

Exkluzivní partner sekce

ORBIT
Bentley
Karat

GOPAS - CAD kurzy

Více kurzů

StreamTech.tv

streamtech tv-logo

Železnice a železničky - elektrické lokomotivy – stejnosměrná napájecí soustava

Autor článku: Michal Fabian, Martin Balkovský   

Tags: lokomotiva | stejnosměrná soustava | Železnice

zeleznice ilustracniElektrická lokomotiva je lokomotiva s elektrickým hnacím ústrojím. Z hlediska historie jde o jeden z nejmodernějších typů lokomotiv, který především na hlavních tratích zcela vytlačil lokomotivy dieselové a parní. Důvody jsou především ekonomické a ekologické, v našich zemích v poválečných letech hrála významnou roli také snaha o co nejmenší závislost na ropě. Doba však jde dál a nejnovější lokomotivy „levitují na magnetických polštářích“. Ale my zůstaneme u elektrických lokomotiv jezdících po kolejích, které v naší dopravní infrastruktuře ještě zdaleka nemohou využívat své maximální provozní možnosti.

V současné době existuje celá řada různých typů elektrických lokomotiv, které se liší napájecí soustavou, typem elektromotorů, regulací pohonu, hmotností, výkonem, převodovým poměrem, provozními podmínkami apod.

Napájecí soustava

Elektrická lokomotiva (s výjimkou akumulátorových lokomotiv) potřebuje ke svému provozu stálý přívod elektrické energie, který je zajišťován pomocí napájecí soustavy. Vzhledem k tomu, že existuje několik typů napájecích soustav, existují i různé typy elektrických lokomotiv, které se liší tím, pro jaké napájecí soustavy jsou konstruovány. Komfortním řešením jsou vícesystémové lokomotivy na přepravu vlaků po tratích s různými soustavami.

Podle typu napájecí soustavy rozlišujeme tyto typy lokomotiv:

  • stejnosměrné (nejčastěji 3 kV nebo 1,5 kV)
  • střídavé (25 kV, 50 Hz nebo 15 kV, 16,7 Hz)
  • vícesystémových (více napájecích soustav, obvykle střídavé i stejnosměrné)
  • akumulátorové (na posun v depech, vlečkách závodů apod.)

Stejnosměrný proud se těžko transformuje, proto stejnosměrné napájecí soustavy nemívají velmi vysoké napětí a zejména u starších lokomotiv je přímo připojeno k trakčnímu motoru. Střídavý proud je naopak možné transformovat velmi snadno, proto se k distribuci používá vyšší napětí (což snižuje přenosové ztráty) a proto bývá v lokomotivě umístěn transformátor.

Kromě elektrických parametrů napájecí soustavy je také důležitý způsob odběru trakční energie. Nejčastějším způsobem je v současné době odběr energie z troleje zavěšené nad tratí (obr. 1) pomocí pantografu nebo polopantografového sběrače nebo zejména u podzemních drah napájení pomocí napájecí kolejnice. [1]

Trakční motor

Elektrická lokomotiva využívá ke svému pohonu elektromotor. Ten bývá buď stejnosměrný, nebo střídavý – synchronní nebo asynchronní elektromotor. Typ motoru nemusí odpovídat napájecí soustavě, protože elektrická energie může být v transformátoru lokomotivy přeměněna na požadovanou formu. Dříve se často i „střídavé lokomotivy“ osazovaly usměrňovači a stejnosměrnými motory. Dnes se i ve „stejnosměrných lokomotivách“ používají asynchronní motory s frekvenčním řízením otáček. [1]

Regulace výkonu

Důležitým parametrem elektrických lokomotiv je způsob regulace jejich výkonu. U stejnosměrných soustav je nejstarším způsobem odporová regulace. Proud motoru je regulován postupným vyřazováním rozběhových odporů zapojených do série s motorem tak, aby nedošlo k přetížení motoru, popřípadě k proklouznutí dvojkolí, a to obvykle až do úplného vyřazení odporů. Výhodou je jednoduchost konstrukce, nevýhodou jsou vysoké energetické ztráty při jízdě na odporových stupních, protože se přebytečná energie v odporové kaskádě mění na odpadní teplo. S rozvojem výkonových polovodičových součástek se začala používat zejména tyristorová regulace výkonu, která je na rozdíl od odporové regulace výkonu efektivnější a ekonomicky výhodnější. Ztráty výkonu v polovodičových součástkách jsou totiž nízké. Nevýhodou je složitější konstrukce a nutnost filtrování parazitních vyšších harmonických kmitočtů.

Lokomotivy určené pro střídavou napájecí soustavu mívají obvykle regulaci výkonu realizovanou přepínáním odboček na transformátoru. Tím se mění napětí elektromotoru a následně i jeho výkon, podobně jako u odporové regulace výkonu. Tento způsob regulace výkonu je bezztrátový, jeho nevýhodou je však omezený počet stupňů regulace daný počtem odboček transformátoru. Transformátory lokomotivy jsou zařízení vyžadující pravidelnou údržbu a výrazně zvyšují hmotnost lokomotiv kvůli vysoké hmotnosti jejich magnetického obvodu a doprovodného chladiva.

Moderní elektrické lokomotivy používají asynchronní motory, jejichž regulace je realizována pomocí polovodičových frekvenčních měničů (za použití výkonových tyristorů nebo tranzistorů). Měniče, resp. jejich vstupní filtry mohou být připojeny na stejnosměrném systému přímo na trolejové napětí nebo přes primární měnič na obvod se sníženým napětím, na střídavém systému jsou napájeny přes transformátor a řízený usměrňovač umožňující i rekuperaci. Tento způsob regulace je nejekonomičtější. Asynchronní motory jsou velmi spolehlivé a mají levnější provoz, protože neobsahují komutátor a kartáče (výrazně jednodušší je pravidelná údržba). U moderních lokomotiv bývají trakční motory uloženy přímo v rámu podvozku. [1]


Obr. 1 Popis elektrického trakčního vedení [2]

Schéma trakčního vedení s popisem je na obr. 1. Popis hlavních částí elektrické lokomotivy je zobrazen na obr. 2.


Obr. 2 Schéma elektrické lokomotivy [3]

Krátce o elektrifikaci tratí

V roce 1946 rozhodlo československé ministerstvo dopravy o elektrifikaci Československých státních drah v té době nejmodernějším stejnosměrným 3kV systémem. Zároveň potvrdilo, že prvním elektrifikovaným úsekem bude slovenský úsek Žilina – Spišská Nová Ves a druhým úsekem, na kterém bude práce probíhat paralelně, bude úsek Praha – Česká Třebová. V roce 1949 se začalo s elektrifikací hlavních tratí. Takto elektrifikována byla trať Děčín – Praha – Česká Třebová – Ostrava – Valašské Meziříčí – Žilina – Košice – Černá nad Tisou. Práce na elektrifikaci této trati trvaly 15 let. [4, 5]

V 60. letech se již v Evropě začala prosazovat střídavá napěťová soustava s parametry 25 kV, 50 Hz, jejíž rozvoj byl způsoben již zmíněným rozvojem polovodičové elektroniky. V roce 1959 bylo rozhodnuto, že tento systém bude zaveden i u nás. Vzhledem k dokončování stejnosměrně napájené tratě z Děčína do Košic (stejnosměrná 3 kV) byla pomyslně rozdělena Československá republika na severní a jižní část a hranicí byla právě tato trať. Území na sever od zmíněné hlavní trati bylo elektrifikované stejnosměrnou napěťovou soustavou 3 kV a jižní část území byla elektrifikována střídavou soustavou 25 kV, 50 Hz. Používání různých napájecích soustav na území jednoho státu vede k požadavkům na finančně nákladnější vícesystémové lokomotivy, které ovšem v podmínkách ČR vycházejí ekonomicky výhodněji než sjednocení železniční elektrifikace na jeden typ napěťového systému. Je možné, že v budoucnu k sjednocení přece jen dojde, protože k sjednocování napěťových systémů již dochází na Slovensku, které přechází na jednotný napěťový systém 25 kV, 50 Hz. [6]


Obr. 3 Napěťové soustavy na tratích ČR a SR [11, 12]

Elektrické lokomotivy Škoda pro stejnosměrnou napěťovou soustavu

Lokomotiva řady 140 (E 499.0)

První elektrickou traťovou lokomotivou se stal typ Škoda 12E (značení dle ČSD E 499.0, současné značení řada 140), vyráběla se od roku 1953 do roku 1958 v závodech V. I. Lenina v Plzni (později Škoda Plzeň). Celkem bylo vyrobeno 100 kusů. Od roku 1953 byla Škoda výhradním dodavatelem elektrických lokomotiv pro ČSD (až do roku 1991). Jednalo se o univerzální elektrickou lokomotivu na stejnosměrný proud, určenou k tažení osobních vlaků, rychlíků i nákladních vlaků. Byla určena pro nově elektrifikované tratě s napájecí soustavou 3 kV (obr. 4).

Konstrukci lokomotivy tvořila ocelová skříň s dvěma koncovými stanovišti pro strojvůdce. Mezi stanovišti se nacházela strojovna se šesti charakteristickými kruhovými okny na každé straně. Pohon zajišťovaly čtyři trakční elektromotory, pro každou nápravu jeden. Lokomotiva byla napájena přes dva trolejové sběrače na střeše. Některé komponenty byly vyráběny v licenci švýcarských firem, které byly přizvány ke spolupráci na vývoji. Pozice tohoto stroje zůstala neotřesitelná až do konce osmdesátých let. Pak je pomalu začaly nahrazovat od roku 1978 stroje řady 150, ale ještě mnoho let sloužily s nimi paralelně. V ČR sloužily tyto lokomotivy až do konce devadesátých let, na Slovensku cca o deset let déle. Z technických parametrů hodno zmínit maximální výkon 2032 kW, maximální tažnou sílu 212 kN a maximální rychlost 120 km/h. Lokomotiva měla délku 15 740 mm a vážila 82 tun. [7]


Obr. 4 Lokomotiva řady 140 (E 499.0) skutečná [7] a modelová

Lokomotiva řady 141 (E 499.1)

Tato lokomotiva vznikla z řady 140 a byla charakteristická tím, že se na ní již nepoužívaly licenční komponenty. Charakteristickým designovým prvkem bylo nahrazení šesti kruhových oken mezi strojovnami čtyřmi obdélníkovými okny po každé straně. Lokomotiva byla vyrobena v letech 1957 a 1959–1960 v počtu 61 kusů. Maximální výkon zůstal nezměněn 2032 kW, maximální tažná síla stoupla na 225 kN. Maximální rychlost zůstala zachována na 120 km/h. Rozměry se trochu změnily. Délka na 16 140 mm a hmotnost na 84 tun. Několik lokomotiv této řady slouží ještě jako záložní stroje dodnes (obr. 5). [5]

Lokomotiva řady 121 (E 469.1)

Lokomotiva vychází z řady 141 a je určena pouze pro nákladní dopravu. Předešlé dvě univerzální lokomotivy nedisponovaly dostatečnou tažnou silou pro nákladní dopravu, a tak byla tato řada zpřevodovaná pro maximální rychlost 90 km/h při zvětšení maximální tažné síly na 234 kN. Také hmotnost vzrostla na 88 tun. V letech 1960 až 1961 bylo celkem vyrobeno 85 strojů. Designově byla identická s řadou 141 (obr. 5). [9] Z řady 121 vyšly ještě modifikované řady 122 a 123.


Obr. 5 Lokomotiva řady 141 a 121 (E 499.1 a 469.1) [8]

Lokomotiva řady 181 (E 669.1)

Lokomotiva řady 181 byla určena pro těžkou nákladní dopravu. Lokomotiva měla dva třínápravové podvozky. Pohon zabezpečovalo 6 elektromotorů o celkovém výkonu 2790 kW. Maximální tažná síla stoupla na 345 kN a celková hmotnost stroje byla 124,2 tuny, délka 18 800 mm. Charakterizovalo ji 6 obdélníkových oken po každé straně mezi strojovnami. V letech 1961 a 1962 se z ní vyrobilo 150 kusů (obr. 6). Na její výrobu přímo navázala lokomotiva řady 182, ze které bylo v letech 1963 až 1965 vyrobeno 168 kusů. Lokomotiva se lišila jen drobnými konstrukčními úpravami podvozku. Pohonné ústrojí zůstalo identické s řadou 181. [10]


Obr. 6 Lokomotiva řady 181 (E 669.1) [10]

Lokomotiva řady 150 (E 499.2)

Lokomotiva řady 150 se vyráběla v roce 1977 a bylo v ní vyrobeno 27 kusů. Měla výkon 4000 kW a byla určena k vozbě těžkých rychlíkových souprav. Dosahovala rychlost až 140 km/h a maximální tažná síla dosahovala hodnoty 227 kN. Vážila 82,4 tuny a měla délku 16 740 mm. Skříň lokomotivy nesou dva dvounápravové podvozky. Tvar lokomotivy byl výrazně hranatější oproti předchozím řadám a působil modernějším dojmem. Její hlavní provoz byl na trati Praha–Košice a zajížděla až do Čopu v Zakarpatské oblasti Ukrajiny. [13]


Obr. 7 Reálná a modelová lokomotiva řady 150 (E499.2)

Lokomotiva řady 151

V letech 1992 až 2002 vzniká 13 kusů modernizovaných lokomotiv řady 150. V roce 1992 se úpravou převodového poměru a malých úprav tlumení podvozku podařilo lokomotivu naladit na maximální provozní rychlost 160 km/h. Designově zůstala téměř totožná s řadou 150.

Lokomotiva řady 163 (E499.3)

Lokomotiva řady 163 je univerzální traťová lokomotiva pro stejnosměrnou napájecí soustavu 3 kV (obr. 8). V letech 1984–1986 a 1991–1992 byla vyrobena v počtu 147 kusů. V roce 1995 bylo 9 lokomotiv druhé série prodáno soukromému dopravci do Milána v Itálii. Výkon této lokomotivy dosahoval 3480 kW, maximální tažná síla 285 kN, některé verze až 300 kN. Maximální rychlost 120 km/h. Hmotnost lokomotivy byla 85 tun a celková délka 16,8 metru. Lokomotiva měla čtyřnápravový podvozek a byla vybavena dvěma polopantografovými sběrači elektřiny. Podvozek lokomotivy byl navrhován na rychlost až 200 km/h. [14]


Obr. 8 Lokomotiva řady 163 (E499.3) skutečná a modelová

Lokomotiva řady 131 (E479.1)

Lokomotiva 131 je podle [15] charakterizována jako dvoudílná lokomotiva na stejnosměrný proud, určená pro těžkou nákladní dopravu na tratích s náročným sklonem mezi Ostravskem a východním Slovenskem.


Obr. 9 Skutečná lokomotiva řady 131 (E479.1) a modelová na kolejišti SPŠ dopravní v Košicích

Úkolem při vývoji bylo navrhnout lokomotivu, která dokáže táhnout vlaky o hmotnosti přes 2000 tun přes „Štrbskou rampu“ a na dalších tratích s podobnými sklonovými poměry. Někdy bylo třeba na tomto úseku nasazovat dvě až tři lokomotivy, což bylo ekonomicky nevýhodné. Lokomotivu tvoří dva shodné díly spojené zádí natrvalo k sobě. Každý díl má má své vlastní číslo jako samostatná lokomotiva. I když se v provozu vyskytují výhradně ve spojených dvojicích, každá sekce lokomotivy je schopná jezdit samostatně. Lokomotiva má čtyři dvounápravové podvozky a pohání je 8 elektromotorů, každou nápravu jeden. V letech 1980 až 1982 bylo vyrobeno 50 dvoudílných lokomotiv. Trvalý výkon lokomotiv byl 4480 (2 × 2240) kW a trvalá tažná síla 350 kN. Celková hmotnost dvojčete byla 169 tun. Maximální rychlost je 100 km/h. Tyto lokomotivy jsou stále v provozu (obr. 9).

Lokomotiva řady 162

Lokomotiva řady 162 je upravenou verzí lokomotivy 163 a je s ní z převážné části shodná. V roce 1991 takto vzniklo 60 lokomotiv. Vzhledem k tomu, že již v 80. letech se uvažovalo o zvýšení rychlosti na našich tratích na 140 km/h, byly tyto lokomotivy upraveny tak, aby těmto podmínkám vyhověly. Podvozky byly vybaveny tlumiči vrtivých pohybů, vzhledem k tomu, že podvozky byly navrhované až na rychlost 200 km/h, stačily úpravy převodového poměru a elektroniky. Od začátku byly tyto stroje používané na vozbu rychlíků a expresních vlaků. Designově se tato řada shodovala s řadou 163.

Lokomotiva řady 184

Řada lokomotiv 184 vznikla z řady 163 (obr. 10), z níž převzala většinu komponentů. Lokomotivy měly nahradit starší šestinápravové řady 181 a 182. Vzhledem k tomu, že v letech 1994–1998 byly vyrobeny pouze čtyři kusy řady 184, stále zůstávají v provozu i starší stroje. Lokomotiva je postavena na třech dvounápravových podvozcích. Prostřední podvozek je stranově posuvný. Cílem tohoto řešení je omezení opotřebení kolejnic oproti lokomotivám se dvěma třínápravovými podvozky. Lokomotiva je vybavena mikroprocesorovým řízením, které umožňuje manuální nebo automatický režim regulace rychlosti. Tyto lokomotivy táhnou soupravy uhlí v okolí Tušimic. Výkony jsou vcelku zajímavé. Trvalý výkon je 5220 kW, maximální tažná síla 575 kN. Lokomotiva váží 120 tun a má délku 20 346 mm. Maximální rychlost je 95 km/h. Zajímavostí je, že jedna z lokomotiv byla zpřevodovaná do rychla na maximální rychlost 155 km/h. Proběhly i zkoušky na ZZO Velim. Následně však byla upravena na rychlost 95 km/h. [16]


Obr. 10 Lokomotiva řady 184 v domovském depu v Tušimicích [15]

Závěr

Původně jsme plánovali o elektrických lokomotivách napsat jeden článek. Při postupném psaní jsme došli k závěru, že vtěsnat do článku ještě stroje pro střídavou napájecí soustavu a případně vícesystémové stroje přesahuje rámec jednoho článku. Tak jsme se rozhodli, že nyní skončíme s jednosměrnou napájecí soustavou a někdy v budoucnu se budeme zabývat lokomotivami napájenými střídavou elektrickou soustavou. I tam jsou pěkné mašinky a je se nač těšit.

Článek byl vypracován s podporou projektu VEGA 1/0198/15.

Literatura

[1] Elektrický rušeň, URL: <https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%BD_ru%C5%A1e%C5%88>
[2] Winco, HObbexx, URL: <http://www.winco.uk.com/HObbexmain.html>
[3] A Theoretical Guide to Electric Locomotive Systems, URL:
<https://www.elprocus.com/what-is-an-electric-locomotive-systems-and-their-types-in-india/>
[4] História železničnej dopravy v Česku, URL:
<https://sk.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%B3ria_%C5%BEelezni%C4%8Dnej_dopravy_v_%C4%8Cesku>
[5] Retro magazín o ČSSR, R.F.K.: Retro pohľad na ČSD, URL: <https://www.retromania.sk/1990-1999/retro-pohlad-na-csd>
[6] O energetice, Tomáš Molek: Elektrifikace českých železnic, Elektrifikace ČR, URL:
<http://oenergetice.cz/technologie/elektrifikace-ceskych-zeleznic/>
[7] Lokomotiva 140, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_140>
[8] Lokomotiva 141, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_141>
[9] Lokomotiva 121, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_121>
[10] Lokomotiva 181, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_181>
[11] iDNES.cz, URL: <http://ekonomika.idnes.cz/foto.aspx?foto1=JB5bd6bd_mapa.jpg>
[12] rail.sk, Elektrifikácia tratí na Slovensku, URL: <https://www.rail.sk/skhist/elektr.htm>
[13] Lokomotiva 150, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_150>
[14] Lokomotiva 163, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_163>
[15] Lokomotiva 131, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_131>
[16] Lokomotiva 184, URL: <https://cs.wikipedia.org/wiki/Lokomotiva_184>


Mohlo by vás zajímat:
 

Přidat komentář

Bezpečnostní kód
Obnovit