Dziś jest piątek, 18 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
13 październik 2009.

Układy prostownikowe w systemach zasilania trakcji elektrycznej cz. 1

Streszczenie
W artykule omówiono prace prowadzone w Instytucie Elektrotechniki w zakresie obejmującym zespoły prostownikowe przeznaczone dla systemów zasilania prądem stałym trakcji kolejowej, komunikacji miejskiej i kopalnianej. Przedstawiono rozwiązania techniczne stosowanych w latach pięćdziesiątych i na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku prostowników rtęciowych. Następnie omówiono kolejne wersje rozwiązań technicznych prostowników wykonywanych w oparciu o krzemowe diody mocy najpierw pochodzące z importu a następnie wytwarzane w kraju. Omówiono współpracę Instytutu Elektrotechniki z przemysłem krajowym przy opracowywaniu i wprowadzaniu do produkcji kolejnych wersji trakcyjnych zespołów prostownikowych. Przedstawiono także sytuację w obszarze zespołów prostownikowych po przejęciu wytwórni krajowych przez firmy zagraniczne. Omówiono prostowniki nowej generacji opracowane i wykonywane w Instytucie Elektrotechniki po roku 1995.

1. Wstęp
 Przed druga wojną światową liczba instalacji prostownikowych w Polsce była niewielka. Zespoły większej mocy wymagające fachowej obsługi były eksploatowane prawie wyłącznie przez PKP (od uruchomienia zelektryfikowanej linii dojazdowej Warszawa Otwock w 1937 r.) i przedsiębiorstwa komunikacji miejskiej. W przemyśle - w zastosowaniu do napędów - pracowało tylko kilka jednostek. Wobec braku produkcji krajowej i prawie wyłącznego korzystania z pomocy ekspertów zagranicznych przy projektowaniu stacji prostownikowych, krąg fachowców zainteresowanych tematyką związaną z prostownikami rtęciowymi i stacjami prądu stałego był z natury niewielki. Po wojnie wobec szybko postępującego procesu uprzemysłowienia kraju i elektryfikacji kolei w Polsce przy jednocześnie prowadzonej modernizacji starych urządzeń - niezbędne okazało się rozpoczęcie własnej produkcji prostowników najpierw rtęciowych, a następnie półprzewodnikowych. Prowadzone w Instytucie Elektrotechniki prace badawczo-rozwojowe ukierunkowane na przygotowanie konkretnych rozwiązań technicznych w istotnym stopniu  przyczyniły się do uruchomienia produkcji zespołów prostownikowych dla systemów zasilania trakcji miejskiej i kolejowej, a także różnych zastosowań przemysłowych. Prowadzone prace badawczo-wdrożeniowe pozwoliły na rozwinięcie produkcji układów prostownikowych, która w pełni zaspokajała potrzeby rozwijającego się przemysłu krajowego, elektryfikowanej w szybkim tempie kolei oraz modernizowanej i rozwijanej sieci komunikacji miejskiej. Wybrane z opracowanych rozwiązań były też przedmiotem eksportu.

2. Prostowniki rtęciowe
Prace nad krajowymi konstrukcjami prostowników rtęciowych podjęto w roku 1949 we współpracy Instytutu Elektrotechniki z niewielkim Zakładem "KATODA" z Łodzi prowadzącym remonty importowanych prostowników zasilających sieci trakcyjne prądu stałego komunikacji miejskiej. Pod koniec 1949 roku wykonano w tym Zakładzie prototyp prostownika oznaczonego PR-05 o prądzie 500 A i napięciu 600 V. Był to prostownik metalowy, pompowy, chłodzony powietrzem. Należy podkreślić, że zagadnienia produkcji prostowników były w owym czasie dla krajowego przemysłu elektrotechnicznego zupełnie nowe. Fabryka "KATODA" oraz Instytut nie dysponowały żadnym specjalistą, który byłby dobrze obeznany z wysublimowaną technologią produkcji tych urządzeń stosowaną w wytwórniach zagranicznych. Zamierzenia produkcyjne opierały się jedynie na doświadczeniu uzyskanym przy remoncie prostowników firm z krajów zachodnich. Kilka serii prostowników wyprodukowanych w latach 1949 - 1951 nie odpowiadało wymaganiom eksploatacji.
 Rozwiązanie zagadnień natury konstrukcyjnej lub technologicznej na prostownikach typu przemysłowego było kłopotliwe i kosztowne. W celu wyjaśnienia występujących problemów (jak np. zaburzenia w pracy łuku elektrycznego) zastosowano w Instytucie Elektrotechniki metodę eksperymentowania na małych modelach zaworów szklanych, których koszty wykonania były nieznaczne a czas wykonania próby w warunkach laboratoryjnych bardzo krótki. W wyniku prowadzonych w Instytucie Elektrotechniki badań laboratoryjnych oraz wykonanych w fabryce "KATODA" prac konstrukcyjnych opracowano w kraju w połowie lat 50-tych ubiegłego stulecia technologię wytwarzania prostowników rtęciowych na napięcie 600 V i prąd 600 A typu PR-06 (rys. 1) przeznaczonych podstawowo dla układów zasilania trakcji miejskiej. Do roku 1967 wyprodukowano i dostarczono do podstacji miejskich i kopalnianych kilkaset prostowników tego typu, dzięki czemu zahamowano praktycznie import tych urządzeń. Dalsze prace badawcze i konstrukcyjne obejmowały opracowanie prostownika bezpompowego typ PRB-06 przeznaczonego dla układów zasilania trakcji miejskiej. W wyniku tych prac w latach 1966 - 1967 przygotowano produkcję tego urządzenia.
Równocześnie prowadzono badania nad prostownikami rtęciowymi na napięcie 3000 V przeznaczonymi dla podstacji trakcyjnych PKP. Prace te nie zakończyły się sukcesem, przygotowane prototypy wykazywały stany awaryjne w postaci tak zwanych zapłonów wstecznych powodujących zwarcia wewnętrzne zespołu prostownikowego. Trudności występujące przy opracowaniu i wytwarzaniu prostowników rtęciowych na napięcie 3 kV wynikały z tego, że w małej wytwórni jaką była fabryka "KATODA" o skromnym wyposażeniu technicznym i laboratoryjnych trudno było wdrażać złożoną technologię wymaganą do wytwarzania tych urządzeń.
 W latach 1967 - 1968 ostatecznie zakończono prace badawcze i konstrukcyjne nad prostownikami rtęciowymi. Uzyskane w tym zakresie umiejętności były jeszcze wykorzystywane w latach 70-tych ubiegłego wieku przy usuwaniu awarii układów przemysłowych zasilanych ze sterowanych i niesterowanych prostowników rtęciowych. 

  Rys. 1. Prostownik rtęciowy PR-06 (660 V lub 250 V, 600 A). Opracowanie Fabryka Prostowników KATODA w Łodzi przy współpracy Instytutu Elektrotechniki w zakresie badań i oceny. Produkowany w latach 1959-1967 w kilku odmianach konstrukcyjnych. W okresie tym dostarczono do podstacji miejskich i kopalnianych kilkaset prostowników tego typu, dzięki czemu zahamowano praktycznie import


3. Prostowniki krzemowe na podstacjach trakcyjnych prądu stałego w komunikacji miejskiej i górnictwie węglowym.
 W latach 1955-1960 zaszły zasadnicze zmiany w światowej technice przekształcania prądu przemiennego w stały, spowodowane opanowaniem produkcji półprzewodnikowych diod monokrystalicznych, najpierw germanowych, następnie krzemowych. W miarę postępów osiąganych w technologii pojawiały się diody krzemowe o coraz korzystniejszych parametrach, umożliwiające budowę prostowników dla różnorodnych zastosowań w szerokim asortymencie napięć i prądów. W ówczesnym stanie techniki były osiągalne z produkcji seryjnej szeregu wytwórni zagranicznych diody krzemowe na prąd znamionowy do 300 A i graniczne napięcie wsteczne do 1500-2000 V. Z tych elementów zaworowych budowano wówczas prostowniki krzemowe o znamionowych mocach jednostkowych dochodzących do kilkunastu megawatów (elektrometalurgia) i napięciach znamionowych ponad 3 kV (trakcja elektryczna prądu stałego). Tak szeroki zakres parametrów technicznych w połączeniu z powszechnie już znanymi zaletami umożliwił prostownikom krzemowym gwałtowną i pełną powodzenia ekspansję w większości dziedzin, w których dominowały przedtem prostowniki rtęciowe. Spowodowało to ograniczenie do minimum zastosowania prostowników rtęciowych w nowoprojektowanych instalacjach prostownikowych i w konsekwencji zaniechanie produkcji tych prostowników w wielu wytwórniach.
 Zgodnie z ogólnoświatowymi trendami, również w Polsce podjęto prace zmierzające do uruchomienia produkcji prostowników krzemowych. W latach 1958-1962 prace te koncentrowały się głównie w Instytucie Elektrotechniki i zmierzały do opanowania podstaw konstrukcji tych nowych urządzeń w oparciu o wszechstronne poznanie właściwości i zasad wykorzystywania krzemowych diod mocy. Na przełomie lat 50-tych i 60-tych prowadzono w Instytucie Elektrotechniki prace naukowo-badawcze nad prostownikami krzemowymi przeznaczonymi głównie do zastosowań trakcyjnych. Początkowo zajmowano się poszczególnym zagadnieniami dotyczącym rozwiązań konstrukcyjnych podstawowych podzespołów prostowników półprzewodnikowych jak na przykład:
- problem szeregowego i równoległego łączenia diod półprzewodnikowych, opracowanie kryteriów doboru diod do tych warunków;
- ochrona przeciwprzepięciowa i przeciwzwarciowa tych przyrządów;
- wytrzymałość przeciążeniowa i zwarciowa diod;
- warunki optymalnego chłodzenia przyrządów półprzewodnikowych;
- system sygnalizacji uszkodzeń diod itp.
Następnym etapem prac prowadzonych w Instytucie Elektrotechniki było zaprojektowanie i wykonanie konstrukcji modelowych prostowników z diodami germanowymi, a następnie krzemowymi. Prostowniki te zostały wprowadzone do eksploatacji próbnej w Zakładach produkcyjnych oraz kopalniach. Przy opracowywaniu urządzeń dla górnictwa istotną rolę odegrała współpraca z Instytutem Elektryfikacji i Mechanizacji Górnictwa z Katowic.
 Rezultaty prac naukowo-badawczych prowadzonych w tym zakresie, jak również doświadczenia uzyskane przy badaniach eksploatacyjnych zostały przekazane do zakładów przemysłowych przygotowujących produkcji krajowych prostowników półprzewodnikowych, a mianowicie do:
- Fabryki Transformatorów i Aparatury Trakcyjnej ELTA w Łodzi;
- Bielawskiej Fabryki Prostowników "BESTER";
- Mikołowskiej Fabryki Transformatorów.
W wyniku prowadzonych prac badawczych i projektowych wprowadzono do produkcji szereg układów prostownikowych, przeznaczonych dla trakcji miejskiej i kopalnianej. Podstawowe parametry tych urządzeń przedstawiono w tabeli 1.
 Do roku 1967 w polskim górnictwie pracowało już ponad 250 automatycznych przewoźnych stacji prostownikowych typu APSPa-100/6, a działanie ich nie nasuwało żadnych zastrzeżeń ruchowo eksploatacyjnych.
 Automatyczne przewoźne stacje prostownikowe (rys. 2) stanowiły jedno z najnowocześniejszych urządzeń  zasilających w dołowej trakcji elektrycznej prądu stałego w skali elektrotechniki górniczej. Pozwalały one na rozwiązanie problemu transportu o dużej masie przewozowej i długich przy zachowaniu wysokich wskaźników techniczno-ekonomicznych.

Rys. 2. Automatyczna przewoźna stacja prostownikowa typu APSPa-100/6-250 (100 kW, 250 V). Opracowanie i wykonanie układu prostowniczego Instytut Elektrotechniki, opracowanie automatyki i wykona-nie kompletnej stacji: Zakłady Konstrukcyjno-Mechanizacyjne Przemysłu Węglowego w Katowicach. Produkcja: Mikołowska Fabryka transformatorów.


 Równocześnie w fabryce ELTA z Łodzi wytwarzano z powodzeniem opracowane przy współpracy z Instytutem Elektrotechniki prostowniki PK-06/0,66 i PK-12/0,66 przeznaczone dla systemów zasilania trakcji miejskiej. Prostowniki te o trójfazowym układzie mostkowym składały się z 96 diod krzemowych o prądzie 140 A i napięciu granicznym 1200 V (angielskiej firmy Westinghause). W każdym ramieniu mostka było połączonych 8 gałęzi równoległych po 2 diody szeregowo. Prostownik ten może wytrzymywać prąd zwarciowy 10 kA w ciągu 200 ms. Prostownik PK-06/0,66 również zrealizowany w układzie trójfazowym mostkowym zawiera łącznie 48 diod krzemowych tego samego typu.
Obydwa wymienione rozwiązania wytwarzane w fabryce ELTA w latach 60-tych i 70-tych ubiegłego stulecia stanowiły podstawę układów zasilania nowobudowanych linii tramwajowych i trolejbusowych, a także element stopniowego zastępowania prostowników rtęciowych układami półprzewodnikowymi.
 Prowadzone modernizacje prostowników krzemowych wiązały się z wprowadzeniem na rynek diod mocy o coraz wyższych parametrach napięciowo-prądowych. I tak obecnie wytwarzane prostowniki tego rodzaju składają się z 12 diod pastylkowych produkcji krajowej typu D95-1800/22 o prądzie 1800 A, 2200 V. W prostownikach przeznaczonych dla układów zasilania metra o prądzie 2,4 kA i napięciu 825 V DC zastosowano diody typu D95-2500/24 o prądzie 2500 A i napięciu 2400 V.
 Inną istotną modernizacją zespołów prostownikowych komunikacji miejskiej było wprowadzenie na początku lat 80-tych ubiegłego wieku zespołów prostownikowych o 12-pulsowej pulsacji napięcia wyprostowanego. Prostowniki w tym rozwiązaniu składały się z dwóch trójfazowych mostków prostowniczych zasilanych z dwóch uzwojeń wtórnych o wektorach napięć przesuniętych o 30el. połączonych równolegle (rys. 3). Zespoły prostownikowe tego rodzaju charakteryzowały się  istotnie mniejszą emisją wyższych harmonicznych prądu do sieci zasilającej i mniejszą składową zmienną w napięciu wyjściowym od stosowanych poprzednio układów 6-pulsowych.
 Kolejne rozwiązania prostowników  wprowadzonych do układów zasilania trakcji elektrycznej do końca lat 80-tych poddawane były badaniom w laboratorium Instytutu Elektrotechniki.

Rys. 3. Schemat ideowy zespołu prostownikowego ZP-1,2/0,66 dla komunikacji miejskiej

koniec cz. 1
Krzysztof Zymmer, Instytut Elektrotechniki

Źródło: Krzysztof Zymmer, Instytut Elektrotechniki
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl