Dziś jest poniedziałek, 6 kwiecień 2020 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 4.2396 +1.14% 1EUR 4.5792 +0.05% 1GBP 5.2164 +0.17%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Seminarium utrzynia ruchu - Wałbrzych 2019
więcej
Targi AUTOMATICON odwołane!
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
21 kwiecień 2020
Targi Expopower 
więcej
23 kwiecień 2020
Seminarium EX - edycja XIV 
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