10 maja 2004

SPOTKANIE NA TEMAT PORÓWNANIA KONSTRUKCJI
WAGONÓW SERII 81 PROD. ROSYJSKIEJ I
WAGONÓW SERII METROPOLIS '98 PROD. ALSTOM,
ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM ZASILANIA SILNIKÓW
W ASPEKCIE WARUNKÓW EKSPLOATACJI I ENERGOCHŁONNOŚCI.

W drugi poniedziałek maja o 18:00 spotkaliśmy się w ledwie kilkanaście osób na portierni STP. Stąd przeszliśmy do elektrowozowni, aby obserwując demonstrowane urządzenia wysłuchać wykładu na temat generalnych różnic w konstrukcji i napędzie wagonów rosyjskich i Alstomowskich. Po drodze jednak padły pytania...

Wózek bezsilnikowy wagonu Tc pociągu Metropolis '98Pierwsze pytanie nurtujące nas, miłośników metra warszawskiego (i nie tylko) od co najmniej dwóch lat to problem wózków w Metropolisach. Co się udało ustalić? Co z osławioną "owalizacją kół"? Co na to wszystko Alstom? Ale już pół roku temu wiadomo było, że rozmowy nadal trwają, że badania nadal są prowadzone, że nie wiadomo co jest przyczyną (czy raczej: kto), że o sprawie nikt nie chce oficjalnie rozmawiać, że wreszcie władze Warszawy zareagowały na protesty mieszkańców domów położonych nad tunelami metra - i zaprotestowały, że Alstom zaczął negocjacje i w końcu ... że rozmowy nadal trwają ..... !

Drugim ważnym tematem była rekuperacja, o której mówi się od lat, która miała przynieść wielkie oszczędności, którą ciągle usiłuje się wprowadzić - i tylko o wymiernych efektach jakoś nic nie słychać. A przecież między innymi w tym właśnie celu dokonano zakupu drogich, bo nowoczesnych pociągów z Alstomu, wyposażonych w asynchroniczne silniki prądu przemiennego. Temat ten zdecydowano omówić dopiero przy omawianiu silników w elektrowozowni.

Natomiast niejako automatycznie wypłynął następny problem. Jak się okazało warszawskie metro rozwija się znacznie szybciej niż planowano (oczywiście pod względem liczby przewożonych pasażerów, a nie przyrostu długości trasy). I bardzo dobrze - tylko, że brakuje miejsc, czyli brakuje wagonów i pociągów. Sytuacja zaostrzy się w momencie przekazania do eksploatacji kolejnych stacji. Warszawa w ciągu 6 lat od zamówienia dostała łącznie 13 sześciowagonowych składów Metropolis 98, a ostanie 5 składów z tego zamówienia ma dotrzeć do stolicy Polski do końca tego roku. I to koniec - nic wiecej nie jest zamówione. a potrzeby rosną.

Wózek z dwoma silnikami wagonu M pociągu Metropolis '98Szczególnie poważny problem stanowią 4-wagonowe pociągi rosyjskiej serii 81. W dyspozycji jest łącznie 60 wagonów, z tego 30 tzw "środkowych", czyli bezkabinowych i 30 posiadających na jednym końcu kabinę maszynisty. Wszystkie wagony rosyjskie są wyposażone w silniki, każdy ma pełen komplet osprzętu (akumulatory, przetwornice, układy sterowania, sprężarki, układy hamulcowe itd) i z tego punktu widzenia można praktycznie konfigurować je w pociągi w sposób całkowicie dowolny. Ale są jeszcze przepisy. A te stanowią, że z uwagi na bezpieczeństwo podróżnych musi istnieć możliwość przejścia wewnątrz pociągu od samego czoła, aż po sam koniec składu. A tu wagony kabinowe nie mają wyjścia z kabiny do poprzedzającego wagonu. I słusznie, bo i po co takie wyjście? Wszak żaden wagon nie może poprzedzać wagonu kabinowego, bo wówczas maszynista nie widział by co się dzieje na torze przed pociągiem. Ale w takiej sytuacji 30 wagonów kabinowych można ustawiać tylko po jednym na początku i na końcu składu. A zatem wagonów bezkabinowych winno być 60, a nie 30 - przecież od samego początku metro w Warszawie projektowano dla składów 6-wagonowych o długości około 120 metrów. Tak zaplanowano i wykonano stacje, perony, tory odstawcze itd. Tylko zakupu wagonów nie zaplanowano we właściwych proporcjach!

Ale z każdej sytuacji podobno zawsze jest jakieś wyjście. Często nawet dwa: z posiadanych wagonów można zestawić 7 pełnych składów, a po wykonaniu przeróbki 10 wagonów kabinowych na "środkowe" - można będzie dokomletować jeszcze 3 składy. Wózek wagonu rosyjskiego serii 81 po remoncie, ze zdemontowanymi silnikami. Tylko tyle, że ogólna liczba pociągów spadnie o 5 jednostek, a przecież pociągów i tak nam brakuje. Zatem znacznie lepszym rozwiązaniem jest dokupienie 30 wagonów bezkabinowych tej samej rosyjskiej serii 81. Będziemy wówczas dysponowali 15 pociągami sześciowagonowymi, tylko "nieco" przestarzałymi. Mówi się, że konstrukcja tych wagonów - mimo wielu medernizacji - pamięta jeszcze lata trzydzieste ubiegłego stulecia.

Zgodnie z informacjami, które dotarły do nas nieoficjalnie, władze Warszawy i zarząd Metra Warszawskiego wybrali trzecie i chyba najlepsze rozwiązanie. Otóż przebieg wagonów rosyjskich zbliża się już do miliona kilometrów i konieczne bedzie skierowanie ich do naprawy głównej. Zamierzeniem jest wybranie takiego wykonawcy NG (oczywiście w formie przetargu), który nie tylko dokona modernizacji wagonów i ich adaptacji do warszawskich warunków eksploatacji, ale również rozbuduje każdy 4 wagonowy skład do pełnej konfiguracji 6 wagonów. Możliwe, że zostaną do tego użyte nowe wagony wprost z Mitiszcze lub Sankt Petersburga, ale nie wyklucza się również możliwości zakupu i adaptacji wagonów używanych. Wszystko zależy zatem od oferentów, komisji przetargowej i Rady Warszawy.


Po tym przydługim wstępie przejdźmy wreszcie do omówienia podstawowej tematyki naszego spotkania. Na samym wstępie ustaliliśmy, że nie będziemy poruszać tematów starannie przedstawionych na spotkaniach w 2001 i w 2002 roku, czyli różnic w konstrukcji pudeł wagonów serii 81 (spawane, stalowe) i serii 98 (lekkie, aluminiowe), ani sposobu wentylacji przedziału pasażerskiego (w 81 tunele nawiewne na dachu z cyrkulacją powietrza wymuszoną ruchem pociągu, a w 98 nawiew powietrza filtrowanego wymuszony przez elektryczne wentylatory), ani sterowania drzwiami czy zastosowaniem centralnego komputera (Comet w Metropolis '98) zamiast przekaźników kontrolnych i lampki "Awaria" (seria 81). Nasze spotkanie poświęcimy głównie silnikom i rekuperacji.

Jak wspomiałem, w międzyczasie doszliśmy do hali elektrowozowni i tutaj stanęliśmy w miejscu, gdzie przygotowuje się wózki dla obu typów wagonów. Na torach stało kilkanaście kompletnych i przygotowanych do podmiany wózków wyremontowanych przez kooperantów (podobno silniki naprawia ZNTK Mińsk Mazowiecki, zaś wózki Pojazdy Szynowe PESA Bydgoszcz S.A. Holding). Mieliśmy zatem okazję porównać wózki przeznaczone dla:

Wagon kabinowy Tc  pociągu Metropolis '98 opiera się na takim wózku bezsilnikowym, ale z 2 tarczami hamulcowymi na osi.Te ostatnie jednak, jako nie wyposażone w silniki, najmniej nas interesowały. Oglądaliśmy i wyszukiwaliśmy różnice w przekładniach, zawieszeniu osi, zawieszeniu wózka do wagonu (w konstrukcji rosyjskiej - belka bujakowa oparta na 4 sprężynach, a na niej pudło wsparte na dwóch kołyskach zaopatrzonych w hydrauliczne tłumiki drgań, a w Metropolisie - poduszki pneumatyczne z regulatorem wysokości od główki szyny w funkcji masy wagonu) oraz hamulcach poszczególnych osi (w serii 81 - hamulce klockowe dwustronne dociskane pneumatycznie do obrzeży kół, a w serii 98 hamulce tarczowe, przy czym wagony silnikowe mają po 1 tarczy na osi, a kabinowe - po 2 tarcze/oś). Ale głównie porównywaliśmy silniki, wielkie - na prąd stały w wagonach rosyjskich, i znacznie mniejsze - prądu przemiennego w Metropolisie.

Wiadomo, że wagony serii 81 są napędzane klasycznie silnikami prądu stałego. Na kazdym wózku sa zamontowane po dwa silniki spiete szeregowo, z których każdy napędza jedna oś. Dwie grupy dwusilnikowe w wagonie mogą być spiete szregowo bądź równolegle. Zwiększanie prędkości obrotowej silników, a zatem rozpędzanie wagonu, jest realizowane przez zwiększanie napięcia prądu dostarczanego do silników połaczonych szeregowo lub szeregowo-rownolegle. Ponieważ napięcie trzeciej szyny jest stałe - 750 Voltów, zatem na początku rozruchu konieczne jest znaczne obniżenie napięcia, aby silniki mogły wolno ruszyć. Realizuje się to metodą załączania szeregowo z silnikiem oporów rozruchowych. Następnie zwiększanie predkości obrotowej wymusza się zmnieszając stopień obniżenia napięcia odłączając poszczególne rezystory. Do sterowania wykorzystuje się nastawnik wielostykowy ustawiany za pomocą wału kułakowego. Opory rozruchowe mają też generalne znaczenie w trakcie hamowania elektrodynamicznego, czyli z użyciem silników pracujących jako prądnice i tym samym wymuszających opóźnienie w ruchu pociągu. Ten system sterowania silników jest znany od ponad 100 lat i, jako stosunkowo prosty, byłby niezawodny, gdyby nie wielka ilość ruchomych elementów stykowych, które odkształcają się w czasie wielokrotnego załączania i odłączania przepływu prądu - co prowadzi do częstych awarii. Zatem styków w sterowaniu trzeba stosować jak najmniej. Wózek wagonu rosyjskiego serii 81.Z uwagi jednak na dążenie do uzyskania płynności rozruchu i hamowania wskazane jest zastosowanie jak największej ilości stopni zmniejszania napięcia zasilania - czyli ... jak największej liczby styków załączających opory rozruchowe. Ostatecznie zatem trzeba było wybrać złoty środek - zastosowano ledwie 36 pozycji przełączania (w warszawskich tramwajach nawet ponad 120), przy czym wykorzystano dwa sposoby regulacji prędkości obrotowej silników: przez zmianę napiecia zasilania i przez zmianę prądu wzbudzania. W trakcie rozruchu najpierw następuje odłączanie kolejnych rezystorów przy szeregowym połączeniu silników (pozycje nastawnika 1÷ 18), a następnie przełaczenie na tryb szeregowo - równoległy (poz. 19). Przy tym ich połączeniu następuje kolejne odłaczanie rezystrów (poz. 20÷31), by wreszcie przejść do drugiej fazy sterowania przez odłączanie rezystrów bocznikujących uzwojenie zbudzania (poz. 32÷36). Hamowanie wagonu pzrebiega przez ustawianie nastawnika na 17 pozycjach: na pierwszej wykorzystywanej powyżej 60 km/h hamowanie realizowane jest załaczaniem impulsowym rezystora tyrystorowego, następnie na poz. 2÷17 wału kułakowego załączane są mechanicznie rezystory co pozwala na ograniczenie predkości do około 8 km/h. Wówczas następuje załączenie elektrozaworu i uruchomienie hamulca pneumatycznego.Całość pozwala prawie wyeliminować odczuwanie szarpnięć przez pasażerów i nie powoduje jednoczesnie nadmiernej awaryjności systemu. Podkreślić należy również, że rozwiązanie klasyczne przynosi znaczne straty energii zamienianej na rezystorach po prostu w ciepło.

W wagonach silnikowych Metropolis zastosowano asynchroniczne silniki prądu przemiennego. Jednak zasilanie pociagu z trzeciej szyny odbywa się nadal prądem stałym 750 V. Dlatego też w obwodzie elektrycznym w wagonie, zaraz za odbierakiem prądu zamontowanym na wózku i wyłącznikiem szybkim zainstalowano falownik wyprodukowany w najnowszej technologii tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT). Silnikowy wagon M pociągu Metropolis '98 opiera sie na wózku wyposażonym w 2 osie, 2 silniki, 2 przekładnie i 2 tarcze hamulcowe.W tym przypadku zwiększanie prędkości obrotowej silnika uzyskuje się przez zmianę częstotliwości prądu przemiennego, co jest realizowane drogą oddziaływania nie na silnik, a na elektroniczny falownik. Wyeliminowano zatem opory rozruchowe i ograniczono znacznie straty energii w procesie rozruchu wagonu. Nadal jednak tracona jest energia powstająca w trakcie elektrodynamicznego hamowania wagonu. Pada zatem pytanie, jak duże są to straty?

Zrobiliśmy taki uproszczony bilans energetyczny pociągu rosyjskiego i Alstom'owskiego. Pamiętać musimy, że dla uzyskania jak największej prędkości średniej przewozu pasażerów metro musi dysponować możliwością generowania dużych przyśpieszeń przy rozruchu i opóźnień w trakcie hamowania. Z uwagi na kondycję fizyczną pasażerów, głównie pasażerów stojących, określono maksymalne przyśpieszanie srodków komunikacji publicznej typu metro na 1,2 m/s2, zaś opóźnienie w trakcie hamowania awaryjnego na -1,3 m/s2. W praktyce jednak stosuje się opóźnienia do najwyżej 1,1 m/s2. Dla uzyskania takich przyspieszeń w czasie rozpędzania składu wszystkie silniki pracują "pełną mocą". W przypadku pełnego pasażerów (normatywnie 7 pasażerów stojących na 1 m2 powierzchni podłogi wagonu) 4-wagonowego składu rosyjskiego serii 81 o masie łącznej ok. 214 ton pracuje 16 silników, każdy z mocą minimum 110 kW. Całkowity pobór energii na rozruch wynosi zatem nie mniej niż 1.75 MW. Natomiast 6-wagonowy pociąg Metropolis pełen pasażrow (także 7 pas./m2) o masie około 285 ton również napedza 16 silników o mocy godzinowej 150 kW. W tym przypadku zużycie energii jest jeszcze większe (ale i liczba pasażerów jest większa o ponad 50%) i wynosi nie mniej niż 2,4 MW. Jeżeli przy tym uwzględnimy, że rozruch pociągu następuje średnio co 2 minuty i trwa około 30 ÷ 40 sek. - to okaże się, że energi zużytej przez jeden pociąg wystarczyłoby na zasilanie całkiem dużego miasteczka. A prawie taka sama ilość energii jest tracona w trakcie hamowania składu. Chyba jest o co walczyć w sprawie tego odzysku? Tym bardziej, że Metropolis jest dostosowany!

Wozek wagonu M po naprawie, jeszcze ze zdemontowanymi silnikamiRekuperacja energi jest możliwa tylko wówczas, gdy prąd oddawany ma napięcie wyższe niż napięcie sieci i kiedy istnieje w tym samym czasie inny odbiorca, który aktualnie pobiera energię. Czyli, mówiąc krótko rekuperacja jest możliwa tylko wówczas, gdy na danym odcinku zasilanym znajdą się dwa pociągi, z których jeden oddaje energię w procesie hamowania elektrodynamicznego, a drugi właśnie znajduje się w fazie rozruchu i tę energię odbierze. Oczywiście możliwe jest zastosowanie swoistego magazynu energii, który odbierze energię w trakcie hamowania i odda w trakcie rozruchu. Urządzenia takie są produkowane w dwóch formach. W pierwszym rolę akumulatora energi spełnia koło zamachowe przypięte do silnika / prądnicy. Energia dostarczana w procesie rekuperacji zasila silnik i rozpędza koło zamachowe. W chwili, gdy wystąpi zapotrzebowanie na energię, sytuacja odwraca się i koło zamachowe napędza silnik pełniący teraz funkcję prądnicy i oddaje energię do sieci. W drugim rozwiazaniu rolę akumulatora energii pełnią gigantyczne kondensatory w których przepływem energii steruje komputer. Oba rozwiązania są jednak bardzo drogie i, jak na razie, warszawskiego metra na ich zakup po prostu nie jest stać.

Stać nas natomiast na rozwiązanie już wdrażane (do września ma nastąpić całkowite zastosowanie tego rozwiązania w warszawskim metrze) i polegające na zmianie systemu dostarczania energii do pociągów. Dotychczas każda z podstacji obsługiwała swój odcinek wyizolowany, obejmujący daną stację, tory prowadzące w obu kierunkach do stacji sąsiednich i tory wyjazdowe przy peronach stacji poprzednich w obu kierunkach ruchu. W takim przypadku sytuacja, że na danym odcinku jeden skład hamuje, a drugi właśnie rusza zdarza sie bardzo rzadko. Poza tym system ten ma dodatkową wadę w postaci zaniku napięcia w wagonach w czasie jazdy po odcinku izolowanym, który z konieczności (wszystkie 4 odbieraki w ramach jednego wagonu są połączone i mogłoby dojść do zamknięcia obwodu izolowanego) musi mieć długość jednego wagonu (ok. 20 m). A każdy zjazd z odcinka zasilanego na izolowany powoduje iskrzenie i grozi zapaleniem łuku elektrycznego, a w konsekwencji zniszczeniem odbieraka prądu na wózku. Nowowprowadzane rozwiązanie polega na zamknieciu całej linii w jeden obwód zasilany z wielu podstacji prądem stałym. Urządzenia prostownicze podstacji zabezpieczają jednocześnie przed cofnięciem prądu z torowiska do podstacji w przypadku spadku napięcia zasilania. Polepsza się również charakterystyka rozkładu napięć w trzeciej szynie w całym obwodzie linii. Nie ma odcinków izolowanych w dawnym sensie (są tylko używane w razie odłaczenia zasilania), zatem znika problem iskrzenia odbieraków. Znikają też problemy z zasilaniem w razie awarii jednej, a nawet kilku podstacji. No i na całej linii już łatwiej o sytuację, gdy w trakcie hamowania jednego składu, jakiś inny właśnie rusza - tym samym może wreszcie będzie widać oszczedności wynikłe z rekuperacji.

Sprężarka w wagonie Tc  pociągu Metropolis '98Idąc dalej oglądaliśmy stojące w hali pociągi: rosyjski i Metropolis. Krótko omówiliśmy różnice w sposobie dostarczania sprężonego powietrza. W każdym wagonie serii 81 jest zamontowana sprężarka tłokowa. I to ona właśnie jest źródłem największego hałasu wydobywającego się spod podłogi wagonu. Tak duża liczba sprężarek jest podyktowana dużym zapotrzebowaniem pociągu na powietrze pod wysokim ciśnieniem. Służy ono do sterowania układem hamulcowym oraz do otwierania i zamykania drzwi. A sprężarki tłokowe, choć hałaśliwe, nie są specjalnie wydajne. Dlatego też w ramach modernizacji wagony rosyjskie mają zostać wyposażone w sprężarki śrubowe - cichsze i znacznie wydajniejsze. Takie właśnie sprężarki zastosowano w Metropolisach. po dwie w każdym, dłuższym przecież, pociągu. Zamontowano je pod podłogą wagonów kabinowych, a do ich zasilania wyposażono wózki tych wagonów (przecież bezsilnikowe) w odbieraki prądu. Przy czym ciekawostka - pracuje standardowo tylko sprężarka w ostatnim, licząc od aktualnego czoła pociągu, wagonie. Natomiast w pierwszym wagonie sprężarka pełni funkcję rezerwowej i pomocniczej w razie, gdyby tylna zawiodła. Zastosowano takie rozwiązanie w dbałości o uszy maszynisty. Brawo! A swoją drogą muszą to być superwydajne sprężarki - choć powietrze w wagonach Alstomu nie jest tracone na otwieranie drzwi, za to służy do regulowania wysokości wagonu nad główką szyny w zależności od napełnienia pasażerami (masy).

Falownik wagonu M pociągu Metropolis '98

Mówiliśmy również o aparaturze elektrycznej sterowania silnikami. Zobaczyliśmy zabudowę pod wagonami - w rosyjskich skrzynie z rezystorami rozruchowymi (pełnią również funkcje hamujące) i z akumulatorami, przetwornica statyczna, sprężarka oraz zbiorniki sprężonego powietrza zajmują całe miejsce pod podłogą wagonu między wózkami. Ale i w Metropolisach wcale nie jest luźniej. I tu są skrzynie z przetwornicą, aparaturą sterującą i falownikiem. Ta ostania wyposażona w wielkie i dosyć głośne wentylatory. Są też zbiorniki powietrza, zawory i mnóstwo innej aparatury.

Godzina stała sie późna (parwie 22:00) - więc z żalem wyszliśmy z elektrowozowni i udaliśmy się w drogę powrotną do domu. Wszak wtorek będzie normalnym dniem pracy dla wszystkich. Do zobaczenia na następnym spotkaniu!











… do strony
»WYDARZENIA«
… do strony
»ARCHIWUM KOŁA«
… do strony
»STRONA GŁÓWNA«