Projekt okładki i stron tytułowych: Piotr Fedorczyk

Fotografia na okładce: josje, whitelook, Deymos.HR, 骏 许/Fotolia

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Natalia Popiel (natalia.popiel@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20522-5

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

PARTNERZY WYDANIA

PATRONI MEDIALNI

1
WPROWADZENIE

Do napisania tej książki skłoniła autora chęć podsumowania własnych doświadczeń zawodowych zebranych w trakcie wieloletniej pracy w charakterze nauczyciela akademickiego w Instytucie Automatyki Politechniki Łódzkiej (IA PŁ). Tematyka prac badawczych i wdrożeniowych prowadzonych w tym Instytucie, powstałym ponad 60 lat temu z inicjatywy prof. Władysława Pełczewskiego, od początku jego istnienia obejmowała badania nad zastosowaniem w zautomatyzowanych napędach elektrycznych najnowszych koncepcji z dziedziny teorii sterowania. Ten dział elektrotechniki w końcu XX wieku rozwijał się szczególnie intensywnie, ponieważ nieustannie pojawiały się nowe wynalazki i technologie pozwalające na coraz bardziej sprawne przekształcanie energii elektrycznej (za pomocą przekształtników energoelektronicznych) oraz urządzenia elektroniczne służące do ich sterowania, coraz mniejsze i coraz wydajniej przetwarzające informacje, oparte na specjalnie w tym celu skonstruowanych, wbudowanych sterownikach mikroprocesorowych (ang. embeddedsystems).

Jednym z ważnych aspektów uwzględnianych przy poszukiwaniu rozwiązań technicznych nowych napędów było dążenie do ich optymalizacji, dotyczącej nie tylko samych konstrukcji stosowanych w nich przekształtników energoelektronicznych i sprzętowych struktur sterujących nimi mikroprocesorowch sterowników, ale i proponowanych nowych algorytmów sterowania implementowanych w tych sterownikach. Wieloletnia aktywność grupy badawczej z IA PŁ rozpoczęła się od nawiązania w początkach lat osiemdziesiątych XX stulecia szerszej współpracy międzyuczelnianej, początkowo pomiędzy Politechnikami Warszawską, Wrocławską i Łódzką oraz Instytutem Elektrotechniki w Międzylesiu k/Warszawy, związanej z ówczesnym problemem resortowym RI-17 (dotyczącym optymalizacji układów napędowych), których koordynatorem był prof. Mirosław Krynke, bliski współpracownik prof. Władysława Pełczewskiego. Do współpracy przyłączały się potem kolejne zespoły badawcze z innych krajowych ośrodków akademickich, kontynuując systematyczne coroczne spotkania, na których dzielono się własnymi najnowszymi osiągnięciami w dziedzinie napędu elektrycznego i energoelektroniki. Seminaria naukowe odbywające się początkowo corocznie w Sulejowie k/Piotrkowa Trybunalskiego przerodziły się z biegiem lat w konferencje naukowe odbywające się w różnych miastach Polski. Ostatecznie przyjęły one oficjalną nazwę Krajowej Konferencji Naukowej „Sterowanie w energoelektronice i napędzie elektrycznym – SENE”. Za porozumieniem ośrodków akademickich, zainteresowanych tą formą współpracy, spotkania odbywają się nadal co dwa lata w Łodzi i formalnie są organizowane przez Instytut Automatyki PŁ. Jesienią 2017 roku odbyła się XII edycja tej konferencji.

W przypadku autora tej książki zwieńczeniem jego udziału we wspomnianej wyżej działalności badawczej był kierowany przez niego rozwojowy projekt badawczy MNiSW nr R01 014 01 pt. „Nowa generacja falownikowych napędów trakcyjnych”, realizowany w Instytucie Automatyki PŁ w latach 2006–2009. W wyniku potrzeby odniesienia się autora do aktualnych trendów rozwojowych dotyczących trakcyjnego napędu elektrycznego, obserwowanych przez niego z perspektywy owego grantu, powstała ta książka. W publicznie dostępnych źródłach literaturowych omawia się bowiem na ogół bardzo wyrywkowo właściwości nowych rozwiązań, co nie pozwala przeciętnemu inżynierowi na obiektywną ocenę ich rzeczywistej przydatności, to jest dokonywanej tak, aby na tle zalet wyraźnie widzieć także ich wady – bo przecież także nowe rozwiązania nigdy nie są do końca ich pozbawione. Dzięki konkretnym danym technicznym zebranym przez autora w ramach tamtego projektu w przypadku napędów asynchronicznych i synchronicznych jest możliwe rzetelne porównanie właściwości takich napędów w typowych zastosowaniach trakcyjnych, czyli użytych do napędu tego samego przykładowego pojazdu, mającego do wykonania to samo zadanie polegające na przejechaniu ściśle określonego odcinka drogi (na krótkim dystansie – w ruchu miejskim lub podmiejskim, a na długim dystansie – w ruchu dalekobieżnym).

Jak wiadomo, współczesny zautomatyzowany napęd elektryczny, dzięki wykorzystaniu odpowiednio skonstruowanego urządzenia elektromechanicznego, ogólnie nazywanego maszyną elektryczną, umożliwia dwukierunkowe przekształcanie energii elektrycznej i mechanicznej z bardzo dużą sprawnością. Maszyny elektryczne mogą mieć różną budowę, ale zawsze zawierają pewną swoją część ruchomą – wirującą lub przemieszczającą się liniowo, oraz uzwojenia nawinięte na rdzeniach wykonanych z materiałów ferromagnetycznych tworzących obwód magnetyczny obejmujący część nieruchomą i część ruchomą oddzieloną od niej szczeliną powietrzną. Odpowiednio wykonana maszyna elektryczna przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną wtedy, gdy pracuje jako silnik, a przekształcenie energii w przeciwną stronę następuje wówczas, gdy ta sama maszyna pracuje w charakterze prądnicy. O kierunku, w którym następuje przekształcanie energii, decydują nie tylko zewnętrzne warunki towarzyszące pracy tej maszyny, ale także sposób sterowania współpracującym z nią energoelektronicznym przekształtnikiem – po stronie elektrycznej, bądź sposób sterowania przekładnią bezstopniową lub o stałych przełożeniach (np. skrzynią biegów) – po stronie mechanicznej. Poprzez odpowiednie sterowanie przekształtnikiem energoelektronicznym albo przekładnią mechaniczną można szybko i wygodnie zmieniać charakter pracy maszyny elektrycznej (silnik/prądnica) nie tylko w ustalonych warunkach eksploatacji napędu, ale także w warunkach jego pracy podlegających dynamicznym zmianom. Należy jednak pamiętać, że nie dla każdej konstrukcji samej maszyny elektrycznej, ale także przekształtnika energoelektronicznego czy przekładni mechanicznej (traktowanej jako całość wraz ze sprzęgłem) możliwa jest ich praca pozwalająca na przekazywanie energii w obu kierunkach.

Jednym z ważniejszych wniosków wynikających z prowadzonych współcześnie badań naukowo-technicznych związanych z napędem elektrycznym jest spostrzeżenie, że obiektem zainteresowania inżynierów zajmujących się praktycznym wdrażaniem nowoczesnych napędów nie może już być wyłącznie sama maszyna elektryczna. Uwaga ta jest szczególnie ważna, jeśli mówi się o potrzebie dokonywania optymalizacji nowych rozwiązań konstrukcyjnych, zwłaszcza jeśli dotyczy to ilości zużywanej energii, efektywności jej przetwarzania (czyli sprawności), czy też wielkości strat energii towarzyszących realizacji przyjętego celu przez napędzaną takim napędem maszynę roboczą. Bez uwzględnia konkretnych cech zewnętrznych urządzeń technicznych towarzyszących pracy samej maszyny elektrycznej, czy to po stronie elektrycznej, czy też po stronie mechanicznej, nie można bowiem mówić o układzie napędowym. Dlatego coraz częściej projektowanie współczesnego napędu elektrycznego, zoptymalizowanego do pracy w konkretnych warunkach, polega już nie na doborze poszczególnych elementów tego napędu wybieranych spośród komercyjnych typoszeregów oferowanych przez ich producentów, ale na wspólnym dopasowaniu projektów tych elementów tak, by zapewnić jak najlepsze spełnienie przyjętych kryteriów oceny jakości docelowego rozwiązania. Rzadko się zdarza, by rozwiązanie wykorzystujące powszechnie dostępny na rynku silnik elektryczny wyposażony w seryjnie produkowaną przekładnię, zasilany z uniwersalnego przekształtnika energoelektronicznego, wyposażonego w sterownik z algorytmem sterowania podlegającym prostej parametryzacji, spełniał bardziej wyrafinowane oczekiwania użytkowników maszyny roboczej z tak dobranym napędem.

Szczególnie ważnym obszarem zastosowań napędu elektrycznego stają się współcześnie pojazdy kołowe, poruszające się po utwardzonych drogach (jezdniach), do tej pory powszechnie wykorzystujące w charakterze napędu silniki spalinowe. Energia potrzebna do poruszania się pojazdu czerpana jest wtedy ze zbiornika okresowo napełnianego paliwem płynnym. Ten rodzaj magazynu energii nadal zapewnia największą mobilność pojazdu, na którym został umieszczony. Energia czerpana zeń jest zużywana na rozpędzanie pojazdu (czyli ta jej część jest przekształcana na energię kinetyczną, proporcjonalną do masy pojazdu i kwadratu jego prędkości) oraz na pokonywanie oporów ruchu (czyli na pokrycie strat energii związanych z siłami tarcia różnych części układu napędowego pojazdu o siebie nawzajem, odkształceniami miejsc zetknięcia się obracających się kół pojazdu z jezdnią oraz oporów powietrza spiętrzanego przez poruszający się pojazd, zwykle nieliniowo wzrastających wraz ze wzrostem jego prędkości). Hamowanie pojazdu, czyli wytracanie uzyskanej wcześniej prędkości, odbywa się dwojako: łagodnie – poprzez wykorzystanie istniejących naturalnych oporów ruchu, uzyskane w wyniku zmniejszenia momentu napędowego silnika (nadal o wartości nieujemnej) poniżej aktualnej wartości momentu oporowego, ewentualnie w skrajnym przypadku całkowite odłączenie tego silnika od przekładni połączonej z napędzanymi kołami (wysprzęglenie tego silnika), lub gwałtownie, w razie potrzeby – poprzez uruchomienie dodatkowych specjalnie skonstruowanych hamulców ciernych, wydatnie zwiększających opory ruchu tego pojazdu.

O ile energia kinetyczna poruszającego się pojazdu może być odzyskana, o tyle energia zużyta na pokonywanie oporów ruchu jest zawsze bezpowrotnie tracona. W takim przypadku mówimy o zjawisku rozpraszania – dyssypacji – energii. Od dawna wiadomo, że zastosowanie do napędzania pojazdów silników elektrycznych zamiast spalinowych z punktu widzenia przemian energetycznych jest zawsze bardzo korzystne, gdyż m.in. pozwalają one na odzyskanie z bardzo wysoką sprawnością tej części energii, która została przy rozpędzaniu pojazdu zamieniona na energię kinetyczną (dzięki możliwości uzyskania w nich stanu pracy nazywanego „hamowaniem elektrodynamicznym”). W pojazdach z tradycyjnymi silnikami spalinowymi taka możliwość w ogóle nie jest dostępna. Czy przyniesie ona jednak oczekiwane korzyści, to już – jak wyżej zauważono – bardzo zależy od samego przebiegu procesu hamowania. Bowiem w razie potrzeby zatrzymania pojazdu z dowolnym napędem nadwyżka energii kinetycznej może być wytracana stosunkowo powoli. Jeśli przy takim hamowaniu zostaną wykorzystane do tego celu naturalne opory ruchu pojazdu, to już nie muszą być wtedy uruchamiane hamulce cierne, w których zwykle w pojazdach z silnikami spalinowymi ta energia jest zamieniana na ciepło (czyli także wytracana). Proces hamowania będzie trwał wtedy odpowiednio dłużej i „odzysku” energii nawet w pojazdach z napędem elektrycznym nie będzie. Tak czy inaczej, wprowadzenie nowoczesnych napędów elektrycznych jako uzupełnienie tradycyjnych silników spalinowych (czyli budowa pojazdów hybrydowych) pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia tradycyjnego paliwa – czyli pokonanie większych odległości przy tej samej pojemności baku lub zmniejszenie objętości baku przy zachowaniu tego samego zasięgu jazdy. Postęp w konstruowaniu nowych magazynów energii elektrycznej o odpowiednio dużej pojemności, a przy tym tanich i nadających się do wielokrotnego użytku, oraz upowszechnienie się tzw. ogniw paliwowych – pozwalających na lokalne wytwarzanie energii elektrycznej bezpośrednio z odpowiedniego paliwa płynnego, czerpanego z autonomicznego zbiornika znajdującego się na pojeździe, pozwoli zapewne w niedalekiej przyszłości na całkowite wyeliminowanie silników spalinowych. Obserwowane przez nas obecnie zmiany zachodzące w konstrukcjach pojazdów masowo produkowanych przez przemysł motoryzacyjny to dopiero początek tej drogi.

Warto także na wstępie zasygnalizować, że wszelkie pojazdy poruszające się po powierzchni ziemi na ogół rzadko poruszają się po trasach całkowicie poziomych. Pionowe nachylenie jezdni, lub torowiska, zwane profilem (niweletą) drogi powoduje pojawienie się dodatkowego składnika w bilansie momentów obrotowych mających wpływ na ruch pojazdu. Składnik ten pochodzi od składowej siły ciążenia występującej w polu grawitacyjnym Ziemi i związany jest z istnieniem energii potencjalnej, zależnej od aktualnej odległości od środka Ziemi każdego ciała materialnego. Pojawiające się w czasie przejazdu określonego odcinka drogi zmiany tej energii (przyrost – w wyniku podjazdu pojazdu pod górę, lub ubytek – następujący w wyniku zjazdu pojazdu w dół), z punktu widzenia napędu elektrycznego takiego pojazdu, mogą być przecież potraktowane jako efekt pojawienia się dodatkowego magazynu energii (sic!), pośrednio związanego z każdym pojazdem i w dodatku całkowicie darmowego – bo oferowanego przez naturę. Przy tradycyjnych napędach spalinowych często zapomina się o tej możliwości, zapewne dlatego, że długotrwały zjazd z góry sprawia konstruktorom pojazdów z tradycyjnym napędem spalinowym jedynie poważny problem – polegający na skutecznym pozbyciu się dużej nadwyżki energii potencjalnej, nie niszcząc przy tym hamulców ciernych, zwykle zbyt delikatnej budowy jak na taką sytuację. Najskuteczniejszą metodą jest wówczas całkowite odcięcie dopływu paliwa i zamiana silnika spalinowego w tłokową sprężarkę powietrza. Takie rozwiązanie jest stosunkowo proste do uzyskania we współczesnych silnikach spalinowych z elektronicznym sterowaniem wtrysku paliwa, a czasem także i zaworów rozrządu. Dawniej ta metoda (pod nazwą „hamulca górskiego”) była stosowana jedynie w wysokoprężnych silnikach dużych pojazdów (autobusów lub ciężarówek). W pojazdach z napędem elektrycznym długotrwała jazda z góry nie jest już problemem, dzięki bowiem obecności silnika elektrycznego napędzanego przez koła pojazdu i „wysterowanego” do pracy prądnicowej nadwyżka energii potencjalnej z dużą sprawnością zostaje zamieniona na energię elektryczną ładującą baterię akumulatorów, a więc na „paliwo wlewane z powrotem do zbiornika”. Warto więc pamiętać przy projektowaniu pojazdów z napędami elektrycznymi, że na ich końcową sprawność ma wpływ nie tylko wielkość mobilnego magazyn energii elektrycznej, ale także znajomość pionowego profilu trasy, po której takie pojazdy będą się poruszać.

Niniejsza książka jest poświęcona przede wszystkim elektrycznym napędom trakcyjnym (z łacińskiego tractio – oznacza ciągnięcie, stąd np. słowo traktor jest popularnym w języku polskim określeniem ciągnika rolniczego), czyli mówiąc w pewnym uproszczeniu napędom z maszynami elektrycznymi, instalowanym na lądowych pojazdach kołowych i powodującym ich przemieszczanie się po powierzchni ziemi. Nie będą w niej poruszane problemy związane z napędami elektrycznymi stosowanymi w pojazdach latających (np. ostatnio stosowanymi chętnie w popularnych w dronach) czy pływających (np. od dawna znajdującymi się w użyciu w łodziach podwodnych, a ostatnio także w statkach, od których wymaga się łatwości i dużej precyzji manewrowania – np. przy obsłudze morskich wież wiertniczych). Chociaż wiele zagadnień w niej omawianych można wykorzystać także i w takich zastosowaniach.

Historycznie określenie „trakcja” wiązano najczęściej z pojazdami szynowymi, w których rodzaj napędu określano na podstawie rodzaju głównego silnika napędzającego dany pojazd. A więc w tym sensie do tej pory mieliśmy do czynienia z trakcją parową, spalinową i elektryczną. Określenie „trakcja elektryczna” w popularnym znaczeniu (upowszechnionym przez dziennikarzy o wykształceniu humanistycznym) kojarzona jest niesłusznie wyłącznie z elektryczna siecią trakcyjną, co spotykane jest nagminnie w sformułowaniu „zerwały się przewody trakcji elektrycznej” lub wręcz „zerwaniu uległa trakcja elektryczna”, zamiast poprawnie „uszkodzeniu uległy przewody sieci trakcyjnej”.

W tej książce termin „trakcja elektryczna” zgodnie z dotychczasową tradycją posłuży do określania „pojazdów elektrycznych” (czyli kołowych pojazdów napędzanych silnikiem elektrycznym), obejmując swym znaczeniem nie tylko sam pojazd i ten silnik, ale sposób jego zasilania w energię elektryczną oraz zastosowane rozwiązania techniczne służące do sterowania jego ruchem. Zatem głównym przeznaczeniem elektrycznych napędów trakcyjnych jest „ciągnięcie” pewnego pojazdu, czyli pokonywanie oporów związanych z jego ruchem, a więc maszyna elektryczna zastosowana w takich pojazdach najczęściej pracuje w charakterze silnika. Stan pracy prądnicowej wystąpi jedynie przy wykorzystaniu tej maszyny do hamowania elektrodynamicznego, czyli gdy poruszający się pojazd trzeba szybko i skutecznie zatrzymać, bądź gdy ten pojazd zjeżdża z wzniesienia. Jednak aby przy danej prędkości obrotowej kół pojazdu osiągnąć zmianę kierunku przepływania mocy przez tę maszynę elektryczną, niezbędne jest stworzenie jej odpowiednich warunków pracy. Chodzi bowiem o to, by siła elektromotoryczna SEM indukowana w uzwojeniu roboczym takiego silnika przez cały czas trwania hamowania elektrodynamicznego przewyższała wartość napięcia na jego zaciskach. Napięcie to jest narzucane przez źródło energii elektrycznej przyłączone do tego uzwojenia za pośrednictwem odpowiednio skonfigurowanego i właściwie wysterowanego przekształtnika energoelektronicznego (falownika). Jak wiadomo z teorii maszyn elektrycznych, osiągnąć można to na przykład przez zwiększenie wartości strumienia magnetycznego wzbudzenia tej maszyny albo przez redukcję przełożenia przekładni sprzęgającej wał maszyny z kołami jezdnymi, albo przez odpowiednie wykorzystanie przekształtnika pośredniczącego w przekazywaniu energii elektrycznej ze źródła do zacisków uzwojenia roboczego, lub przez wszystkie te sposoby zastosowane łącznie.

Forma tej książki jest podporządkowana współczesnemu spojrzeniu na głębsze zrozumienie zasad działania współczesnych pojazdów napędzanych silnikami elektrycznymi, używanych w transporcie lądowym. Poruszane są więc w niej zagadnienia związane z aktualnymi trendami rozwoju napędów elektrycznych chętnie instalowanych w nowych konstrukcjach pojazdów kołowych, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb dotyczących możliwości wykorzystania ich w komunikacji masowej. Napędy te oparte są na trójfazowych silnikach prądu przemiennego (asynchronicznych lub synchronicznych) na ogół podłączonych do własnych, indywidualnych falowników napięcia, zasilanych bądź jak dotąd z sieci trakcyjnej, bądź z mobilnego magazynu energii – działającego w charakterze autonomicznego bufora energii, z dodatkową możliwością okresowego doładowywania z zewnątrz.

Nie zostaną natomiast w tej książce poruszone liczne zagadnienia omawiane zwykle w podręcznikach lub na wykładach dotyczących trakcji elektrycznej w jej tradycyjnym wydaniu, czyli pojazdów szynowych dotychczas napędzanych szeregowymi silnikami prądu stałego, zasilanymi z klasycznej sieci trakcyjnej. W szczególności nie zostaną tu wspomniane anachroniczne już zasady doboru oporowych układów regulacyjnych dla trakcyjnych silników prądu stałego. Nie będzie także opisów związanych ze szczegółami budowy sieci trakcyjnych, czy też konstrukcji samych pojazdów szynowych, oraz ogólnie obowiązujących systemów sterowania ruchem pociągów. Oczywiście nadal użytkowane są pojazdy z napędem elektrycznym, których te zagadnienia dotyczą, lecz zainteresowany nimi czytelnik z łatwością znajdzie je w dostępnej literaturze.

Będą natomiast przedstawione szczegółowo algorytmy sterowania napędami trakcyjnymi z silnikami z trójfazowymi uzwojeniami stojanów, użytymi do napędzania modelu pewnego przykładowego pojazdu, zilustrowane wynikami komputerowych badań symulacyjnych przeprowadzonych dla różnych warunków przejazdu takiego pojazdu. Na tej podstawie zostaną omówione od strony użytkowej zalety i wady stosowania napędu trakcyjnego określonego rodzaju. Rozważany pojazd przykładowy został wyposażony w napęd falownikowy z wybranym rodzajem silnika: asynchronicznym (czyli klatkowym silnikiem indukcyjnym) bądź synchronicznym (czyli silnikiem z magnesami trwałymi), i testowany w różnych warunkach pracy takiego napędu. Ze względu na szczególną wagę omawianych zagadnień dla podejmowania decyzji związanych z bieżącą eksploatacją oraz dalszym rozwojem pojazdów użytkowanych w masowej komunikacji miejskiej przyjęto, że na drodze symulacji komputerowych będzie badane zachowanie się pojazdu przykładowego w warunkach typowych dla ruchu miejskiego, czyli przejeżdżającego założony odcinek drogi od postoju do zatrzymania się na kolejnych przystankach, według znanego z góry harmonogramu zmian prędkości, w różnych warunkach towarzyszących takiemu przejazdowi. Warunki te obejmują różne profile (tj. nachylenia) toru jazdy, różne harmonogramy czasowe dotyczące sposobu przejazdu założonego odcinka drogi oraz zakłócenia w postaci raptownych zmian napięcia sieci trakcyjnej.

Jedną z ważniejszych cech falownikowych napędów trakcyjnych jest możliwość odzyskiwania energii kinetycznej pojazdu poprzez zamianę jej na energię elektryczną zwracaną do źródła zasilania napędu (tzw. rekuperacja energii). Jak łatwo się domyślić, możliwość sterowania dwukierunkową zamianą energii mechanicznej i elektrycznej, w połączeniu ze świadomym wykorzystywaniem zmian energii potencjalnej, towarzyszących na trasie przejazdu podjazdom i zjazdom pojazdu ze wzniesień, pozwala w odpowiednich warunkach terenowych na uzyskanie dodatkowych korzyści energetycznych. W modelu przykładowego pojazdu, wykorzystanego w tej książce do zilustrowania takich rozważań, rozpatruje się użycie dwóch rodzajów silnika elektrycznego: asynchronicznego albo synchronicznego, o tych samych wymiarach zewnętrznych i parametrach mechanicznych, takich samych wartościach mocy znamionowych i niemal identycznej budowie stojanów. Te same wielkości mechaniczne obu silników pozwoliły na przyjęcie dla obu rodzajów napędu elektrycznego jednakowych granicznych charakterystyk mechanicznych, rozumianych jako zależność maksymalnego momentu wewnętrznego (elektromagnetycznego) danego silnika od chwilowej prędkości jego wału napędowego, czyli przy sztywnej przekładni – od chwilowej wartości prędkości samego pojazdu. Ze względu na konieczność wprowadzenia niezbędnych ograniczeń w chwilowych wartościach napięć i prądów stojanów przy dużych wartościach prędkości niezbędne było wprowadzenie osłabienia strumienia magnetycznego w tych silnikach, co spowodowało nieco inny kształt granicznej charakterystyki mechanicznej stosowanej przy rozpędzeniu (rozruchu) pojazdu, a innej – przy jego hamowaniu. Dla pojazdów z obydwoma rodzajami napędu elektrycznego przyjęto tę samą trasę do przejechania, nie tylko co do długości i pionowego profilu, ale także co do takiego samego harmonogramu zmian zadawanej prędkości w funkcji przebywanej przez pojazd drogi, dzięki czemu powstała możliwość łatwego i poglądowego porównania efektywności energetycznej obu tych rodzajów napędu.

Ta efektywność energetyczna może być wyrażana rozmaicie. Przede wszystkim jako różnica pomiędzy ilością energii elektrycznej pobranej przez silnik ze źródła i tej części energii mechanicznej oddanej na jego wale, która została zużyta na pokonanie oporów ruchu. W przypadku napędu elektrycznego może być także wyrażana jako stosunek energii odzyskanej do energii całkowitej pobranej ze źródła w trakcie przejazdu danego odcinka drogi o założonym profilu przy różnych harmonogramach zmian prędkości pojazdu. Łatwo jednak zauważyć, że tak definiowana efektywność energetyczna zależy bardzo silnie nie tylko od rodzaju użytego silnika elektrycznego, ale przede wszystkim od warunków, jakie na trasie przejazdu napotyka napędzany nim pojazd.

Przeprowadzone badania porównawcze tego samego pojazdu z napędem elektrycznym wykorzystującym silniki obu typów, dotyczące jego przejazdu odbywającego się dokładnie w takich samych warunkach, pozwalają ocenić wielkość możliwych do uzyskania oszczędności w łącznym zużyciu energii elektrycznej przy przejeździe przez ten pojazd tego samego odcinka trasy. Jak się okazuje, rodzaj zastosowanego napędu elektrycznego i jego sterowanie mają na nie wpływ stosunkowo niewielki, jeśli w każdym z nich istnieje możliwość hamowania elektrodynamicznego (czyli tzw. pracy prądnicowej). Znacznie większy wpływ na efektywność energetyczną przejazdu zadanego odcinka trasy ma obecność odpowiednio dobranego magazynu energii (mobilnego dla pojazdów autonomicznych czy też stacjonarnego dla pojazdów korzystających z sieci trakcyjnej), którego wielkość silnie zależy od pionowego profilu trasy oraz założonego harmonogramu zmian prędkości.

Ta wiedza może być przydatna nie tylko dla projektantów nowych pojazdów z napędem elektrycznym, ale także dla ich użytkowników, którzy dotychczas mieli możliwość zbierania swoich praktycznych doświadczeń jedynie na podstawie obserwacji zachowania się pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi.

Ciechanów, wrzesień 2018

Andrzej Dębowski

2
WSPÓŁCZESNY ELEKTRYCZNY NAPĘD TRAKCYJNY

2.1. Powody upowszechniania się pojazdów z napędem elektrycznym

Od bardzo dawna pojazdy kołowe używane w różnych krajach na świecie do przewożenia ludzi i towarów na dłuższe i krótsze odległości, a także jako wozy bojowe (np. rzymskie rydwany, czy średniowieczne machiny oblężnicze) wprawiały w ruch zwierzęta (najczęściej – konie). Jedyną znaną cywilizacją, która nie używała takich pojazdów, byli peruwiańscy Inkowie, w których państwie aż do podboju przez Hiszpanów jedynym wykorzystywanym zwierzęciem jucznym była lama. Pomimo że ich królestwo pokryte było niezwykle gęstą siecią dróg, Inkowie pojazdów kołowych nie używali, nie tylko dlatego że ich kraj był górzysty, ale przede wszystkim z tego prozaicznego powodu, że nie odkryli tak ważnej maszyny prostej, jaką jest koło (sic!).

Na przestrzeni wielu wieków konstrukcje pojazdów ciągniętych przez zwierzęta bardzo się rozwinęły i uległy znacznemu zróżnicowaniu w zależności od ich przeznaczenia. Pod koniec XVIII wieku, poprzedzającego wiek „pary i elektryczności”, zaprzęgi konne, składające się najczęściej z pojedynczego konia, ale często także pary koni (lub czasem nawet z kilku par), używane były do poruszania pojazdów kołowych takich jak [C1]:

– bryczki, powozy lub karoce – pojazdy używane prywatnie, wykorzystywane do przewożenia właścicieli na krótsze bądź dłuższe odległości,

– dorożki i tramwaje konne – wykorzystywane do przewożenia pasażerów w miastach,

– dyliżanse – obsługujące regularne połączenia pocztowe pomiędzy wybranymi miejscowościami, przewożące pasażerów i ich bagaże nawet na bardzo dalekie dystanse,

– wozy robocze: skrzyniowe, drabiniaste, platformowe – używane w rolnictwie, w przemyśle i w wojsku do masowego przewozu towarów,

– zaprzęgi wielokonne – używane w charakterze specjalistycznych ciężkich ciągników w rolnictwie, przy robotach budowlanych, w przemyśle i w wojsku (np. przy transporcie dział).

Warto było tu te funkcje krótko przypomnieć po to, by uświadomić sobie, jak szeroki zakres wymagań był (i jest nadal) stawiany nowym rodzajom napędu takich pojazdów. W pierwszym rzędzie wszystkie te funkcje dawnych pojazdów konnych z biegiem lat z powodzeniem przejęły powszechnie użytkowane do dzisiaj pojazdy z napędem mechanicznym, w których koła są napędzane bezpośrednio lub pośrednio – poprzez odpowiednio skonstruowane przekładnie kinematyczne – silnikami o różnych zasadach działania. Początkowo silniki te zasilane były parą wodną otrzymywaną pod dużym ciśnieniem z kotła opalanego węglem lub drewnem. Potem wymyślono silniki wprawiane w ruch obrotowy za pomocą prądu elektrycznego oraz silniki spalinowe, podobne nieco w konstrukcji do tych parowych, ale w których komorach spalania znajdujących się nad poruszającymi się tłokami była spalana bezpośrednio zasysana tam mieszanka powietrza i paliwa płynnego, tzw. silniki o bezpośrednim spalaniu paliwa.

Historia komunikacji masowej tak naprawdę rozpoczęła się w pierwszej połowie XIX wieku – wieku „pary i elektryczności”, wraz z powstawaniem dużych miast i aglomeracji miejskich. W owym czasie lokalny transport publiczny opierał się przede wszystkim na koniach: główne pojazdy używane do tego celu to tradycyjne wozy konne – dorożki i pierwsze konne tramwaje. Napęd z użyciem pierwszych maszyn parowych raczej upowszechniał się najbardziej na kolei. W związku z eksplozją ludności, szczególnie w miastach z niezliczoną liczbą osób dojeżdżających do pracy, transport konny wkrótce osiągnął granicę swoich możliwości. Konstrukcje lokomotyw parowych, które w tym czasie budowano głównie z myślą o podróżach dalekobieżnych (wynalazca współczesnego parowozu George Stephenson zbudował swoją „Rakietę” już w 1829 roku), okazały się również zbyt mało elastyczne, by można je było wykorzystać w miastach, a zanieczyszczenie spowodowane sadzą i hałasem byłoby ogromne. Potrzebny był więc nowy środek transportu, z napędem o wiele „czystszym” [C2].

Za pierwszy taki pojazd rozpoczynający nową erę w komunikacji masowej należy bezsprzecznie uznać małą lokomotywkę elektryczną Ernsta Wernera von Siemensa zbudowaną w firmie Siemens&Halske w 1879 roku, zasilaną napięciem 150 V DC z tzw. trzeciej szyny, umieszczonej w torowisku, po którym się poruszała. Ciągnęła ona za sobą trzy małe wagoniki-ławki i woziła z dużym powodzeniem pasażerów wokół terenów wystawy powszechnej w Berlinie po zamkniętej trasie o długości ok. 300 metrów. Prowadzący lokomotywkę siedział na niej okrakiem, a pasażerowie w każdym wagoniku siedzieli w grupach po trzy osoby na dwóch ławkach zwróconych do siebie plecami – w sumie mogło ich być nawet 18. W następnym roku wynalazca zaproponował budowę w Berlinie podobnej trasy kolejowej, ale w trochę większej skali [C2].

Rys. 2.1. Kolejka Wernera von Siemensa wioząca pasażerów na terenie wystawy w Berlinie w 1879 roku

Źródło: [C2]

Początkowo jednak był zmuszony porzucić swoje plany po zastrzeżeniach właścicieli nieruchomości i domów, którzy obawiali się, że może to wpłynąć na obniżenie ich wartości. Jednak jego pomysłowości nie dało się już pohamować. Na własny koszt w 1881 roku zbudował w Berlinie elektryczną linię tramwajową o długości 2,5 km – pierwszą na świecie. W 1882 roku publicznie zademonstrował w Halensee na przedmieściach Berlina pierwszy na świecie trolejbus, za jaki należy uznać jego eksperymentalny pojazd kołowy o nazwie Elektromote. Była to przebudowana czterokołowa bryczka konna, wyposażona w dwa silniki elektryczne o mocy ok. 2 kW każdy, które za pomocą przekładni łańcuchowych połączono z tylnymi kołami. Energia elektryczna była dostarczana do pojazdu poprzez elastyczny kabel zwisający z zaczepu wyposażonego w obrotowe rolki i przesuwającego się po rozwieszonej nad jezdnią sieci trakcyjnej o napięciu 550 V DC, o długości ok. 500 metrów. Z jego inicjatywy zaczęto stosować elektryczne lokomotywki górnicze, a w Budapeszcie zbudowano pierwsze w Europie kontynentalnej metro – miejską kolej podziemną. W ten sposób dokonał się przełom w rozwoju transportu w miastach i jego dalszych postępów polegających na elektryfikacji napędów w pojazdach masowej komunikacji nie można było już powstrzymać [C2].

Przyjęto, że pojazdem elektrycznym (czyli pojazdem EV – z ang. electric vehicle) nazywa się każdy pojazd poruszający się na kołach po powierzchni ziemi, w których co najmniej jedno koło jezdne jest napędzane silnikiem elektrycznym [C11]. Pojazdy takie najczęściej poruszają się po specjalnie w tym celu zbudowanych szlakach – torach zbudowanych ze stalowych szyn lub drogach z utwardzoną nawierzchnią, ale zdarzają się także specjalne pojazdy potrafiące poruszać się po bezdrożach – co ma miejsce trochę rzadziej. Tradycyjny podział takich pojazdów ze względu na ich sposób zasilania w energię możne być dokonany następująco [A4]:

1. Pojazdy pobierające energię elektryczną z zewnątrz pojazdu za pośrednictwem odbieraków prądowych ślizgających się po przewodach sieci trakcyjnej (wykonanej w postaci sieci górnej lub trzeciej szyny) zasilanej przez urządzenia zasilające rozmieszczone w pewnych odstępach wzdłuż toru jazdy. Do tej grupy do tej pory należały przede wszystkim pojazdy używane w transporcie miejskim lub kolejowym: szynowe (tramwaje oraz pociągi kolei naziemnej lub podziemnej – metra) lub kołowe (trolejbusy).

2. Pojazdy czerpiące energię elektryczną bezpośrednio z umieszczonej w nich baterii akumulatorów lub ogniwa paliwowego.

3. Pojazdy wyposażone w silnik cieplny, przekazujący energię czerpaną z mobilnego źródła na koła za pośrednictwem tzw. przekładni elektrycznej, składającej się z prądnicy napędzanej przez taki silnik cieplny, zasilającej jeden bądź kilka współpracujących ze sobą silników elektrycznych. Do tej grupy należą pojazdy wyposażone w tłokowe silniki spalinowe (benzynowe lub wysokoprężne) lub silniki turbinowe (parowe – gdy para wodna jest wytworzona w tradycyjnie opalanym kotle, lub reaktorze jądrowym, albo gazowe – gdy paliwem jest sprężony gaz).

O ile wcześniej w tradycyjnej trakcji elektrycznej powszechnie spotykało się wyłącznie pojazdy typu 1, głównie szynowe, bowiem na uruchomienie linii trolejbusowych decydowały się jedynie nieliczne miasta, o tyle obecnie masowe wprowadzenie do komunikacji miejskiej autobusów elektrycznych (czyli pojazdów typu 2 lub 3) staje się coraz bardziej realne. Warto tu zauważyć, że dotychczas użytkowane trolejbusy (chociaż są to przecież pojazdy elektryczne – a więc przyjazne dla środowiska) ze względu na ich podstawową wadę – ograniczoną manewrowość wynikającą z potrzeby ciągłego kontaktu z siecią trakcyjną, nie będą raczej dalej rozwijane, a na razie stanowią one jedynie rozwiązanie przejściowe. Ułożona na stałe sieć trakcyjna w powiązaniu z ogumionymi kołami to dla kołowego pojazdu nie jest przecież rozwiązanie najzręczniejsze z inżynierskiego punktu widzenia. Wprawdzie ogumione koła pozwalają trolejbusowi opuścić w razie potrzeby wydzielony pas ruchu (np. fizycznie wyznaczony na istniejącym torowisku tramwajowym lub wydzielonym pasie jezdni ograniczonym krawężnikami), ale rozwieszona na słupach jego sieć trakcyjna nadal dosyć skutecznie ogranicza możliwy tor jazdy samego pojazdu.

Wydaje się, że najbliższa przyszłość masowej komunikacji miejskiej to pojazd szynowy stanowiący połączenie pociągu metra i tramwaju, jeżdżący po szynach na wydzielonym torowisku w podziemnych tunelach lub na powierzchni, oraz autobusy z napędem elektrycznym i mobilnym magazynem energii „na podkładzie”, wygodnie doładowywanym na krańcówkach i o dosyć ściśle przewidywalnym harmonogramie jazdy pomiędzy doładowaniami! W warunkach miejskich sprawdzą się też na pewno małe samochody osobowe z takim samym rodzajem napędu, użytkowane jako taksówki lub prywatne pojazdy powalające na w pełni swobodne, indywidualne poruszanie się po ograniczonym obszarze w ramach dużych aglomeracji.

Do komunikacji zbiorowej na większe odległości (poza sieciami kolejowymi) oraz w komunikacji prywatnej (indywidualnej) chyba jednak najchętniej będą użytkowane (bo na to wskazują obecne obserwacje rynku motoryzacyjnego) pojazdy kołowe typu 3, tj. z napędem hybrydowym, składającym się z tłokowego silnika spalinowego i zbiornika paliwa płynnego lub gazowego, którego wał jest zblokowany z wałem maszyny elektrycznej wspomagającej silnik spalinowy. Maszyna ta stanowiąca dodatkowy napęd elektryczny musi być sterowana tak, by przy pracy silnikowej zapewnić silnikowi spalinowemu ustalone warunki pracy w możliwie szerokim zakresie możliwych prędkości pojazdu (co pozwala zmniejszyć zużycie paliwa i zdecydowanie poprawić czystość spalin). Przy zmniejszaniu prędkości lub hamowaniu pojazdu, w wyniku przejścia w stan pracy prądnicowej, maszyna wraz z przekształtnikiem wchodząca w skład tego napędu elektrycznego pozwala odzyskać część energii kinetycznej i zmagazynować ją w mobilnym magazynie energii elektrycznej, aby w ten sposób dodatkowo oszczędzić paliwo płynne.

Prawie wszystkie pojazdy użytkowane w skali masowej dotychczas na świecie (pojazdy kołowe, statki i samoloty) są napędzane silnikami spalinowymi o różnych konstrukcjach i zasadach działania i opierają się na spalaniu paliw płynnych, głównie pochodnych ropy naftowej, takich jak olej napędowy, benzyna, nafta lotnicza czy gaz – propan-butan. Napędy tego rodzaju osiągnęły bardzo wysoki stopień sprawności i niezawodności technicznej, a napędzane nimi pojazdy w pełni zaspokajają potrzeby ich użytkowników.

Dlaczego więc obecnie coraz powszechniej widzi się potrzebę zmiany rodzaju napędu pojazdów ze spalinowego na elektryczny? Głównie taka potrzeba dotyczy pojazdów kołowych (w znacznie mniejszym zakresie statków, a o samolotach na razie się praktycznie nie wspomina – poza eksperymentalnymi lotami w rodzaju Solar Impulse).

Najważniejszymi dwoma powodami, dla którego są podejmowane intensywne działania na tym polu są [C11]:

– powód długoterminowy: obawa przed wyczerpaniem się zapasów ropy naftowej, stanowiącej podstawę produkcji paliw płynnych,

– powód krótkoterminowy: nabierająca coraz większego znaczenia obawa przed narastającymi zmianami klimatycznymi wywoływanymi nadmiernym wytwarzaniem przez ludzkość CO₂.

Dotychczasowe kołowe pojazdy elektryczne użytkowane w skali masowej to pojazdy szynowe zasilane z elektrycznej sieci trakcyjnej (tramwaje i pociągi elektryczne – te tradycyjne naziemne i te podziemne, czyli metro), które wydają się być wręcz idealnym środkiem transportowym zarówno w obrębie miast, czy ruchu w podmiejskim, jak i w dalekobieżnej komunikacji międzymiastowej. Z kolei dotychczasowe sposoby pozyskiwania energii elektrycznej na dużą skalę to elektrownie cieplne opalane węglem kamiennym, węglem brunatnym, gazem ziemnym czy też ciężkimi frakcjami pozostałymi po destylacji ropy naftowej – mazutem.

Na rysunku 2.2 pokazano, jak wygląda całość dotychczasowego sposobu zaopatrywania klasycznych pojazdów szynowych w energię elektryczną, co umożliwia im jazdę po torach, nawet na znaczne odległości. Towarzysząca tym torom sieć trakcyjna, czyli przewody, po których ślizgają się odbieraki prądu na poruszającym się pojeździe, może być podwieszana na słupach (tak jak pokazano to na tym rysunku), ale może też być ułożona na specjalnych izolatorach wzdłuż torowiska w postaci tzw. trzeciej szyny. Sieć ta, ze względu na swoją znaczną długość i występujące wtedy spadki napięć wywołane na rezystancji tych przewodów przez prąd, zwykle o znacznym natężeniu, pobierany przez przemieszczający się pojazd, musi być podzielona na pewne odizolowane od siebie fragmenty (sekcje). Poszczególne sekcje są zasilane oddzielnie, przez podstacje trakcyjne, rozlokowane w pewnych odstępach wzdłuż trasy przejazdu i podłączone do krajowego systemu elektroenergetycznego. Jeżeli dotychczas w napędach elektrycznych pojazdów szynowych stosowano powszechnie szeregowe silniki prądu stałego, to najwygodniej było mieć w sieci trakcyjnej zasilanie napięciem stałym. W takim przypadku trzeba było w podstacjach trakcyjnych poza transformatorami obniżającymi trójfazowe napięcie przemienne, pochodzące z sytemu elektroenergetycznego, umieścić jeszcze potężne prostowniki tak, by całość pozwoliła utrzymać wartość napięcia zasilania danej sekcji sieci trakcyjnej na przyjętym poziomie. W Polsce te wartości wynoszą: dla tramwajów i trolejbusów – 600 V DC, a dla kolei – 3 kV DC. Krajowy system elektroenergetyczny tworzą trójprzewodowe sieci przesyłowe, rozwieszone na słupach i łączące ze sobą podstacje energetyczne z transformatorami oddzielającymi od siebie linie przesyłowe o różnych wartościach napięć (by mieć jak najmniejsze straty energii elektrycznej przy jej przesyłaniu, przy dużych odległościach potrzebne są jak najwyższe napięcia). Sieci elektroenergetyczne wysokiego napięcia są zasilane w energię elektryczną przez elektrownie.

Jak więc wynika z omówionego wyżej schematu zasilania w energię elektryczną tradycyjnych pojazdów szynowych, „prądu elektrycznego”, zwłaszcza na skalę przemysłową (a o takiej skali należy mówić w przypadku masowego transportu ludzi i towarów), nie pobiera się – ot tak po prostu– z jakiegoś „gniazdka w ścianie”. Za tym „gniazdkiem” musi znajdować się potężny system elektroenergetyczny. A ten system w wielu krajach, a zwłaszcza w Polsce, oparty jest nadal na dużych elektrowniach cieplnych, w których na ogół spalany jest węgiel. W Polsce prawie 90% energii elektrycznej nadal jest produkowane w takich elektrowniach – w ok. 2/3 tych elektrowni jest spalany węgiel kamienny, a w ok. 1/3 – węgiel brunatny. Choć elektrownie zawodowe cechuje relatywnie wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej (w naszych na ogół nieprzekraczająca jednak 45%), jednak przy tak dużym (i ciągle rosnącym) zapotrzebowaniu na energię elektryczną ilość zanieczyszczeń wyrzucanych przez te elektrownie do atmosfery zaczyna poważnie zagrażać naszemu środowisku. Czyli wynika stąd jasno, że nigdy nie wystarczy koncentrowanie uwagi na samych pojazdach, nawet jeśli one same są wyposażone w „ekologiczny napęd elektryczny”.

Mimo że tradycyjne elektryczne pojazdy szynowe, jak wynika z rysunku 2.2, same w sobie nie stanowiły (i nie stanowią bynajmniej nadal) rozwiązania problemów transportowych w dążeniu do „zerowej” łącznej emisji CO₂ i spalin, użytkowanie ich w terenach gęsto zaludnionych i zabudowanych (czyli w miastach, a szczególnie w wielkich aglomeracjach) jest bardzo korzystne. Polega to jednak nie na całkowitym braku zanieczyszczeń towarzyszących eksploatacji elektrycznych napędów tych pojazdów, jako elementu składowego w łańcuchu przetwarzania energii – od energii zawartej w surowcach kopalnych do „czystej” energii elektrycznej, ale na wyprowadzenia źródła powstawania tych zanieczyszczeń z centrów ośrodków miejskich daleko na peryferia, bo duże elektrownie na ogół są budowane z dala od terenów gęsto zaludnionych. Dlatego współczesny transport szynowy nadal intensywnie się rozwija, wprowadza się ekspresowe połączenia nawet między oddalonymi od siebie aglomeracjami. Umożliwia to nowoczesny szybki tabor kolejowy jeżdżący po unowocześnionych torowiskach przewidzianych do rozwijania dużych prędkości. A nowoczesne, komfortowe tramwaje i metro to do tej pory najczęściej spotykane skuteczne rozwiązanie szybkiego przewozu dużej liczby pasażerów w tych zanieczyszczonych spalinami i zatłoczonych aglomeracjach.

Rys. 2.2. Poglądowy schemat zasilania w energię kolei elektrycznej korzystającej z sieci trakcyjnej prądu stałego

Źródło: [A4]

Nową alternatywę w dotychczasowych rozwiązaniach masowej komunikacji stworzyło jednak w ostatnich latach pojawienie się coraz bardziej pojemnych i coraz tańszych, a przy tym lekkich i mobilnych magazynów energii elektrycznej, jakimi są ogniwa elektrochemiczne nowej konstrukcji, popularnie nazywane akumulatorami – jeśli pozwalają na wielokrotne powtarzanie cyklu ładowania/rozładowania, lub bateriami – jeśli po ich wyprodukowaniu od razu są w stanie naładowanym i bez ingerencji w ich konstrukcję nie nadają się do powtórnego naładowania. Dawne ciężkie i mało pojemne akumulatory kwasowo-ołowiowe zastąpiły we wszystkich mniejszych pojazdach elektrycznych znacznie od niech lżejsze ogniwa litowo-jonowe, mające najlepsze właściwości spośród znanych obecnie ogniw nowej generacji.

W charakterze dynamicznych magazynów energii elektrycznej są obecnie używane super-kondensatory – nadal intensywnie rozwijane. Spełniają one podobne funkcje jak tradycyjne akumulatory o dużych pojemnościach, czyli pozwalają na wielokrotne powtarzanie cyklu ładowanie/rozładowanie. Charakteryzują się jednak wyraźnie innymi parametrami eksploatacyjnymi. Cenną cechą super-kondensatorów, pomimo ich relatywnie (w stosunku do ogniw elektrochemicznych) mniejszej pojemności, jest lekkość – ponieważ nie zawierają wewnątrz elektrolitu, oraz zdecydowanie większe dopuszczalne wartości prądów przy ładowaniu i rozładowywaniu, w dodatku mogącymi następować natychmiast tuż po sobie. Czyni je to cennymi magazynami buforowymi w dynamicznych stanach pracy napędu. W elektrycznych napędach trakcyjnych bardzo podobną rolę do super-kondensatorów mogą także odgrywać mechaniczne akumulatory energii w postaci koła zamachowego (ang. fly wheel), mogącego wirować swobodnie z ogromną prędkością, sprzęgniętego z wałem (oddzielonym od wału napędowego kół pojazdu) własnego pomocniczego silnika elektrycznego, podłączonego do szyn głównej magistrali elektrycznej układu napędowego za pośrednictwem indywidualnego przekształtnika dwukierunkowego.

Z powyższych rozważań wynika, że rozwijanie nowych konstrukcji elektrycznych napędów trakcyjnych musi być bardzo ściśle wiązane z przekształcaniem struktury systemu elektroenergetycznego we wszystkich krajach na świecie. Rozwijanie źródeł energii elektrycznej alternatywnych w stosunku do klasycznych elektrowni cieplnych staje się pilną potrzebą. Pomimo oporów społecznych nie należy chyba rezygnować z rozwijania energetyki jądrowej, chociaż elektrownie atomowe także produkują zanieczyszczenia, tylko innego rodzaju i w innej skali. Niestety, przy spodziewanym wkrótce tak dużym zapotrzebowaniu na energię elektryczną, nawet te nowe elektrownie atomowe okażą się niewystarczające.

Szczególne nadzieje wiąże się od wielu lat z pozyskiwaniem energii elektrycznej z tzw. odnawialnych źródeł energii (OZE, ang. renewable energy sources). Są to:

– wiatr (elektrownie wiatrowe),

– światło słoneczne (elektrownie fotowoltaiczne, słoneczne elektrownie cieplne),

– energia płynącej wody (hydroenergetyka wykorzystująca energię wody płynącej w otwartej rzece lub spiętrzonej przez zapory, fale morskie oraz pływy morskie),

– energia geotermalna (uzyskiwana za pośrednictwem wody tłoczonej pod ziemię),

– przetwarzane szczątki organiczne (biopaliwa czy też biogaz),

– przetwarzane odpady (spalarnie śmieci).

Nowe technologie pozyskiwania energii elektrycznej z takich źródeł pozwolą nie tylko uniknąć obaw związanych z wyczerpywaniem się zasobów paliw kopalnych, lecz także ograniczyć, a może nawet zahamować tendencję w narastaniu szkodliwej emisji CO₂. Ponieważ w niedalekiej przyszłości większość produkowanej nowymi sposobami energii elektrycznej będzie zużywana na cele transportowe (ludzi i towarów), już teraz mówi się o potrzebie rozwijania tzw. transportu zrównoważonego (ang. sustainable transport). Pojęcie to odnosi się do tematów związanych z szeroko pojętym transportem, który pozostaje zrównoważony pod względem skutków społecznych, środowiskowych i klimatycznych oraz ma zdolności globalnego wytwarzania w nieskończoność energii źródłowej na własne potrzeby. Składniki służące ocenie zrównoważonego rozwoju obejmują: poszczególne pojazdy wykorzystywane do transportu (drogowego, wodnego lub lotniczego), źródła energii oraz infrastrukturę wykorzystywaną do transportu (drogi, linie kolejowe, drogi powietrzne, drogi wodne, kanały i terminale). Działania gospodarcze powiązane z transportem i logistyką również są brane pod uwagę w tym bilansie. Na ocenę stopnia „zrównoważenia transportu” ma przy takim ujęciu w dużej mierze wpływ nie tylko skuteczność i wydajność samego systemu transportowego, ale również jego wpływ na środowisko i klimat [C11].

Niezależnie od wymienionych wyżej powodów najpilniejszą, bardzo konkretną, sprawą wymuszającą wręcz niezwłoczne zajęcie się problemem masowego przejścia na napędy elektryczne w pojazdach używanych do masowego transportu ludzi i towarów jest pogarszająca się jakość powietrza, czasami wręcz dramatycznie utrudniająca codzienne życie mieszkańcom wielkich aglomeracji miejskich. Nadmierna obecność gazowych spalin i innych rozdrobnionych produktów spalania w powietrzu, powszechnie nazywana smogiem, zmusza ludzi w skrajnych przypadkach do poruszania się po ulicach miast w maseczkach. Znaczący udział w tym zjawisku mają setki tysięcy pojazdów, małych i dużych, tych prywatnych i tych użytkowanych w komunikacji publicznej, napędzanych nadal najczęściej silnikami spalinowymi. Ideałem, do którego się dąży, jest jak najszybsze upowszechnienie, szczególnie w takich aglomeracjach, pojazdów o tzw. zerowej emisji gazów wydechowych – popularnie mówiąc: spalin (ang. zero emission vehicle) [C11].

Do tej grupy należą przede wszystkim pojazdy o „czystym” napędzie elektrycznym, czyli te, które są zasilane energią elektryczną czerpaną z zewnątrz za pośrednictwem odpowiednio skonstruowanych „odbieraków prądu”, ślizgających się po przewodach rozłożonych wzdłuż trasy przejazdu lub czerpiących tę energię z autonomicznych zbiorników energii elektrycznej umieszczonych bezpośrednio na pojazdach. W pierwszym przypadku są to najbardziej dotychczas rozpowszechnione elektryczne pojazdy szynowe, takie jak tramwaje, trolejbusy, metro czy pociągi elektryczne. W drugim przypadku, w charakterze mobilnych zbiorników energii elektrycznej, są obecnie najczęściej używane ogniwa chemiczne (akumulatory), umożliwiające ich wielokrotne ładowanie i rozładowywanie. Tego rodzaju pojazdy są nazywane elektrycznymi pojazdami bateryjnymi (pojazdami BEV, ang. battery electric vehicle). Są to: samochody elektryczne (ang. electric car), autobusy elektryczne (ang. electric bus), rowery elektryczne (ang. electric bicycle). Pojazdy takie na razie najczęściej stanowią własność prywatną i są eksploatowane całkowicie indywidulanie lub coraz częściej pojawiają się w miastach także w charakterze sieci pojazdów elektrycznych (ang. electric vehicle network), stanowiąc składnik miejskiego transportu publicznego, będący własnością komunalną eksploatowaną publicznie [C11]. Wcześniej już wykazano jednak, że ta energetyczna „czystość” tak zasilanych w energię elektryczną pojazdów jest pozorna (patrz rys. 2.2). Pojazdy te są naprawdę „czyste” tylko wtedy, gdy sieć trakcyjna lub sieć stacji ładujących mobilne ogniwa elektryczne jest zasilana w energię elektryczną nie przez zwykłe elektrownie cieplne, lecz przez elektrownie pozyskujące tę energię z odnawialnych źródeł energii. W bilansie wszystkich znieczyszczeń emitowanych do atmosfery poważny udział mają także tzw. gazy cieplarniane powstające w procesie wytwarzania różnych komponentów używanych do produkcji środków transportu – w pojazadach elektrycznych dotyczy to zwłaszcza baterii, niezbędnych do magazynowania energii elektrycznej.

Jak powiedziano na początku tego podrozdziału, we wszystkich pojazdach z napędem elektrycznym do jego napędzania jest wykorzystywany co najmniej jeden silnik elektryczny. W wyniku rozpowszechnienia się mikroprocesorowo sterowanych energoelektronicznych przekształtników energii elektrycznej najpopularniejszymi rodzajami używanych w nich silników stały się: klatkowy silnik indukcyjny (AC-SCIM, ang. alternating-current squirell-cage induction motor) oraz silnik synchroniczny z magnesami trwałymi umieszczonymi w wirniku (AC-PMSM, ang. alternating-current permanent magnet synchronous motor). Najczęściej ich stojany są wyposażone w symetryczne uzwojenia trójfazowe, ponieważ wtedy konstrukcja i układy sterowania modułami energoelektronicznymi zasilających je przekształtników (falowników) są najprostsze i najtańsze. Z tego powodu rozważania na temat elektrycznego napędu trakcyjnego, prowadzone w dalszej części tej książki, zostały ograniczone do szczegółowego omawiania budowy, opisu matematycznego i algorytmów sterowania jedynie falownikowymi napędami asynchronicznymi (z silnikiem SCIM) oraz synchronicznymi (z silnikiem PMSM).

2.2. Przykłady elektrycznych napędów trakcyjnych

Przez wiele lat elektrycznym silnikiem powszechnie stosowanym do napędu wszelkich pojazdów zasilanych energią elektryczną był komutatorowy szeregowy silnik prądu stałego (DC-SM, ang. direct-current series motor). Wyczerpujące informacje na temat jego budowy, a także równań matematycznych opisujących zachowanie się w stanach ustalonych i dynamicznych i wynikających z nich charakterystyk mechanicznych można znaleźć przede wszystkim w literaturze poświęconej zasadom budowy i eksploatacji klasycznego elektrycznego napędu trakcyjnego, jak [A4], ale również w wielu książkach poświęconych maszynom i napędom elektrycznym, na przykład [B1, B6, B7, B8, B9, B15, B22]. Powodem tej popularności silników szeregowych były ich charakterystyki mechaniczne, wynikające z hiperbolicznej zależności momentu wewnętrznego (elektromagnetycznego) od chwilowej prędkości kątowej wału silnika Mwew = f(Ω). Ta ich cecha była unikalna w czasach, gdy wszelkie silniki elektryczne były zasilane ze źródeł o stałym napięciu, a ich układy sterowania wykorzystywały jedynie dodatkowe oporniki szeregowo podłączane do uzwojeń twornika lub wzbudzenia. Przy stałych parametrach w obwodach silnoprądowych nawet przy niewielkim obniżeniu prędkości obrotowej (np. przy najechaniu koła na przeszkodę) samoczynnie (tj. bez jakiejkolwiek ingerencji ze strony zewnętrznego układu sterowania) pojawiał się wtedy prawie natychmiast wzrost momentu wewnętrznego pozwalający na skuteczne pokonanie takiej przeszkody, i odwrotnie − przy raptownym wzroście prędkości (np. przy wystąpieniu poślizgu kół) następował gwałtowny spadek momentu wewnętrznego. Bardzo ułatwiało to prowadzenie pojazdów z takim napędem.

Współcześnie wymaga się jednak zdecydowanie więcej od napędów, nie tylko jeśli chodzi o ich właściwości trakcyjne związane z potrzebą precyzyjnego sterowania chwilową wartością momentu wewnętrznego rozwijanego przez silnik, chodzi także o dodatkowe możliwości, jak kontrolowany zwrot energii do źródła − sieci lub akumulatora. Wymaga to częstych i niezależnych od siebie zmian kierunków prądów twornika i wzbudzenia. Skoro uzwojenie wzbudzenia i tak w zautomatyzowanym napędzie trakcyjnym czasem musi być przełączane, to fakt, że w warunkach znamionowych płyną przez nie bardzo duże wartości prądów nawet w epoce stosowania przekształtników energoelektronicznych, sprawia liczne kłopoty − utrudnia montaż, a potem konserwację obwodów roboczych (kable są grube i sztywne, aparatura łączeniowa na duże prądy ma duże gabaryty, moduły energoelektroniczne na duże prądy są wyraźnie droższe). Ważnym utrudnieniem jest też fakt, że silniki szeregowe były projektowane do bezpośredniego podłączenia do określonego napięcia sieci trakcyjnej, a więc osobne zasilanie ich uzwojeń − przewidzianych przecież do pracy w połączeniu szeregowym − bezpośrednio z tej sieci jest utrudnione ze względu na niedopasowanie napięciowe (dotyczy to zwłaszcza szeregowego uzwojenia wzbudzenia!). Dlatego napędy trakcyjne z silnikami szeregowymi są spotykane obecnie jedynie tam, gdzie jeszcze nie opłaciło się ich wymienić na inne. Przy wprowadzaniu przekształtników poprawiających właściwości napędów z tymi silnikami w istniejących pojazdach korzysta się więc doraźnie z uproszczonych rozwiązań, sprowadzających się do wykorzystania zwykłych czoperów pracujących w rozmaitych konfiguracjach. Rozwiązania takie stosuje się ze względu na ograniczenie dostępnego miejsca w modernizowanych pojazdach, czy chęć ograniczania kosztów modernizacji, a także ze względu na trudności techniczne dotyczące kompleksowej przebudowy okablowania.

Istnieje bardzo duża liczba różnych praktycznych rozwiązań zautomatyzowanych napędów trakcyjnych nadal wykorzystujących silniki szeregowe prądu stałego. Powszechnie w charakterze elementów regulacyjnych w różnych obwodach prądu stałego, więc także i napędach z silnikami elektrycznymi prądu stałego, wykorzystuje się proste i tanie przerywacze energoelektroniczne – tzw. czopery (ang. chopper), co nawet przyczyniło się do powstania żargonowego określenia takiego rodzaju napędu trakcyjnego – „napęd czoperowy”. W napędach z szeregowymi silnikami prądu stałego jednak nie zawsze udaje się w pełni wykorzystać możliwości oferowane przez układ napędowy całkowicie zautomatyzowany, zwłaszcza jeśli są to napędy powstające na drodze modernizacji istniejących wcześniej rozwiązań i konieczny jest pewien kompromis między poprawą jakości napędu a kosztami jego modernizacji.

Na rysunku 2.3 przedstawiono jedno z proponowanych rozwiązań, które jednak daje takie możliwości. Układ silnoprądowy obejmuje: silnik szeregowy z rozdzielonymi uzwojeniami twornika i wzbudzenia, pół-mostek z dwoma kluczami z diodami zerowymi odwrotnie podłączonymi do kluczy, pozwalający na regulację przepływu prądu twornika w obu kierunkach (takie zestawy elementów są oferowane obecnie przez producentów jako jeden moduł), przełącznik zmiany kierunku podłączenia uzwojenia szeregowego zabezpieczonego diodą zerową do obwodu twornika (powodujący, że niezależnie od aktualnego kierunku prądu twornika kierunek prądu płynącego przez uzwojenie wzbudzenia, a więc i kierunek głównego strumienia magnetycznego nie ulega zmianie przy przechodzeniu silnika od rozruchu do hamowania elektrodynamicznego) oraz opornik bocznikujący uzwojenia wzbudzenia z szeregowo połączonym dodatkowym przerywaczem-czoperem (pozwalający na płynną regulację osłabiania pola, stosowaną przy wyższych prędkościach obrotowych silnika w celu ograniczenia wartości siły elektromotorycznej rotacji indukującej się w uzwojeniach twornika).

Rys. 2.3. Schemat ideowy przykładowego zautomatyzowanego napędu trakcyjnego z szeregowym silnikiem prądu stałego

Źródło: [B6]