Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra KVES. Riešenie elektrického napájania pomocných pohonov na rušňoch radu a 724.

Transcript

1 Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra KVES Riešenie elektrického napájania pomocných pohonov na rušňoch radu a Milan Martinkovič

2 Riešenie elektrického napájania pomocných pohonov na rušňoch radu a DIPLOMOVÁ PRÁCA MILAN MARTINKOVIČ ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov Študijný odbor: Elektrická Trakcia Vedúci diplomovej práce : Doc. Ing. Mgr. Milan Pospíšil. Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce : ŽILINA

3 Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra výkonových elektrotechnických systémov ANOTAČNÝ ZÁZNAM Diplomová práca Priezvisko, meno: Martinkovič Milan školský rok: 2006/2007 Názov práce: Riešenie elektrického napájania pomocných pohonov na rušňoch radu a724.7 Počet strán: 67 Počet obrázkov: 31 Počet tabuliek: 1 Počet grafov: 4 Počet príloh: 7 Použitá literatúra.: 9 Anotácia: Táto diplomová práca je venovaná štúdii nových druhov napájania pomocných pohonov na nezávislých rušňoch. Návrhu napájacej siete pre pomocné pohony na rušni radu a a návrhu regulácie napätia v pomocnej sieti. Návrh spolupráce regulátora siete s hlavným regulátorom. Týmito návrhmi sa zvýši prevádzková spoľahlivosť a znížia náklady na údržbu. Die Anotation: Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Studie neue Arte Anschliessungen der Hilfsantriebe in unabhängigen Lokomotiven. Vorschlag des Anschliessungnetzes fűr die Hilfsantriebe in Lokomotiven Reihe und und Vorschlag der Stromregulation im Hilfsnetz. Vorschlag der Zusammenarbeit Netzregulation mit der Hauptregulation. Mit diesen Vorschlagen wurde Betriebszuverlässigkeit erhőht und die Erhaltungskosten niedrigeren. Kľúčové slová: pomocné pohony, napájacia sieť, napájanie pohonu, regulácia napätia, Vedúci projektu: Doc. Ing. Mgr. Milan Pospíšil. Recenzent práce : Dátum odovzdania práce:

4 OBSAH ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV ZOZNAM OBRÁZKOV CIEĽ DIPLOMOVEJ PRÁCE 1 ÚVOD Súčasný stav motorových rušňov Rekonštrukcia priemyselných rušňov Pomocné pohony diesel-elektrických rušňov všeobecne Kompresory Ventilátory Budenie trakčného generátora Akumulátorová batéria 14 2 ANALÝZA PÔVODNÉHO STAVU POMOCNÝCH POHONOV NA RUŠNI RADU Pomocné pohony na rušni radu Pohon kompresora Kompresor 21 3 ANALÝZA SÚČASNĚHO STAVU POMOCNÝCH POHONOV NA RUŠŇOCH RADU A Celková kompozícia rušňov radu a Kompresory na rušňoch radu a Ventilátory na rušňoch radu a Budič trakčného generátora na rušňoch radu a

5 4 NÁVRH NOVEJ KONCEPCIE POMOCNÝCH POHONOV NA RUŠNI RADU a Meniče pre napájanie pomocných pohonov Návrh typu pohonu pre ventilátor Návrh typu pohonu pre kompresor Návrh budenia trakčného generátora 39 5 NÁVRH NOVEJ NAPÁJACEJ SIETE PRE POMOCNÉ POHONY Prehľad druhov napájacích sietí Oddelená striedavá sieť pomocných pohonov Spoločná striedavá sieť pre trakciu a pomocné pohony Spoločná jednosmerná sieť pre trakciu a pomocné pohony Oddelená jednosmerná sieť pomocných pohonov Návrh oddelenej jednosmernej siete pomocných pohonov 45 6 NÁVRH REGULÁCIE NAPÄTIA NAPÁJACEJ SIETE Simulácia regulácie napätia napájacej siete 51 7 NÁVRH SPOLUPRÁCE S NADRIADENÝM RIADIACIM SYSTÉMOM 54 8 ZÁVER 58 POUŽITÁ LITERATÚRA 59 ČESTNÉ PREHLÁSENIE 60 POĎAKOVANIE 61 PRÍLOHOVÁ ČASŤ 62 ZOZNAM PRÍLOH 63 5

6 ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV ASM - asynchrónny motor SG - synchrónny generátor JLS - Jihlavská lokomotívna spoločnosť EDB - elektrodynamická brzda Psm - výkon statického meniča Pchd - výkon meniča na chladenie dieslu Pchtm - výkon meniča na chladenie trakčných motorov Pk - výkon meniča kompresora k - koeficient strát n max U S f S I 1 fp P 2 I 2 U 3 P 3 n 3 2p TM Mv U 4 P 4 n 4 R pp HR - maximálne otáčky generátora - združené napätie generátora - frekvencia generátora - zdanlivý výkon generátora - prúd generátora - pracovná frekvencia - príkon statického meniča - prúd statického meniča - napätie ASM pre ventilátor - príkon ASM pre ventilátor - otáčky ASM pre ventilátor - počet pólov - trakčný motor - motor ventilátora - napätie ASM pre kompresor - príkon ASM pre kompresor - otáčky ASM pre kompresor - regulátor pomocných pohonov - hlavný regulátor Upož. požadované napätie(konštanta 400V) 6

7 ZOZNAM OBRÁZKOV Obr.1 Rušeň radu a rušeň radu Obr.2 Pomocné pohony a ich usporiadanie Obr.3 Rozmiestnenie pomocných pohonov pod prednou kapotou Obr.4 Pružná spojka Giubo Gőtze Obr.5 Mechanická prevodovka Obr.6 Schéma činnosti a regulácie kompresora Obr.7 Zostavenie rušňov radu a Obr.8 Umiestnenie kompresora 3 DSK 100 v strojovni Obr.9 Kompresor 3 DSK 100 Obr.10 Umiestnenie kompresora Mattei C134 v strojovni Obr.11 Čerpadlo - hydrogenerátor Obr.12 Kompresor Mattei C134 Obr.13 Umiestnenie jednosmerných motorov a ventilátorov v strojovni Obr.14 Pripojenie motora ventilátora k odporníku Obr.15 Axiálny ventilátor VE-630 pre chladenie EDB Obr.16 Schéma zapojenia vonkajšieho rotačného budiča Obr.17 Vonkajší rotačný budič trakčného generátora na rušni radu a 724.7ASM Obr.18 Koncepcia pomocných pohonov Obr.19 Uloženie asynchrónneho motora na ventilátor Obr.20 Priemyselný infrateplomer Obr.21 Schéma lamelového kompresora Obr.22 Principiálna schéma s oddelenou striedavou sieťou pomocných pohonov Obr.23 Principiálna schéma so spoločným striedavým medziobvodom Obr.24 Principiálna schéma so spoločným jednosmerným obvodom pre trakciu a pomocné pohony Obr.25 Principiálna schéma s oddeleným jednosmerným obvodom pre pomocné pohony Obr.26 Trakčný a pomocný generátor na jednom hriadeli typ 1FB2631-6B029 Obr.27 Principiálna bloková schéma statického budenia trakčného generátora Obr.28 Bloková schéma napájania pomocných pohonov 7

8 Obr.29 Bloková schéma regulácie napätia v jednosmernom medziobvode Obr.30 Bloková schéma - simulácia regulácie napätia napájacej siete Obr.31 Bloková schéma spolupráce s nadriadeným riadiacim systémom Graf.1 Priebeh otáčok pomocného generátora Graf.2 Priebeh prúdu na výstupe pomocného generátora Graf.3 Priebeh napätia na výstupe pomocného generátora Graf.4 Priebeh budiaceho prúdu pomocného generátora 8

9 CIEĽ DIPLOMOVEJ PRÁCE Cieľom diplomovej práce je analyzovať pôvodný a súčasný stav pomocných pohonov na nezávislých rušňoch radu a 724.7, oboznámiť sa s problematikou pomocné pohony a pohon pomocných pohonov. Navrhnúť najlepšiu variantu pomocných pohonov a novej napájacej siete pre pomocné pohony, pričom cieľom je bezporuchovosť a stabilita siete. Bezporuchovosť sa docieli správnou dimenzáciou prvkov v sieti (generátor, usmerňovač, menič) a stabilita zas reguláciou napätia. Návrh regulácie napätia pomocnej siete. Regulácia napätia sa reguluje prostredníctvom PI regulátorov, ktoré ovplyvňujú veľkosť budiaceho prúdu pomocného synchrónneho generátora a počet otáčok spaľovacieho motora. Vykoná sa simulácia v Matlabe 7.0, pri ktorej sa zistí správnosť regulácie napätia pomocnej siete. Ďalej sa navrhne spolupráca s nadriadeným riadiacim systémom, kde spolupracuje riadiaca jednotka s regulátorom pomocných pohonov cez rozhodujúci člen a regulátorom spaľovacieho motora. 9

10 1 ÚVOD 1.1 Súčasný stav motorových rušňov Väčšina našich motorových rušňov je dnes už za polovicou svojej životnosti. Najmenej polovica z nich pritom má dávno prekročenú aj svoju pôvodne uvažovanú životnosť 25 rokov. Pritom zvlášť hlavný rám a podvozková časť sú relatívne vo veľmi dobrom stave. Stav predovšetkým hnacieho ústrojenstva, ale aj kabíny a kapoty je už spravidla menej priaznivý. Prevádzka takýchto motorových rušňov sa stáva nielen nákladnou, ale bohužiaľ niekedy i neistou záležitosťou. Vysoká spotreba paliva a oleja, ktoré sú stále drahšie, časté poruchy a predovšetkým náročné zaisťovanie náhradných dielov a stále nákladnejšie opravy sú nepríjemnou realitou. Rušeň (rady 740) neodpovedá svojimi parametrami súčasnému stavu vývoja, nielen po stránke technickej, ale aj z pohľadu obsluhy (riešenie kabíny rušňovodiča, prístupnosť k jednotlivým agregátom pri údržbe a opravách,...). 1.2 Rekonštrukcia priemyselných rušňov Rekonštrukciu diesl-elektirckých rušňov začala v roku 1997 robiť JLS Jihlava. Ako prvý bol rekonštruovaný rušeň radu patriaci Chemopetrolu Litvínov, na ktorý bol nainštalovaný spaľovací motor Caterpillar 3512 s výkonom 990 kw a novo vyrobená kabína s kapotou pri zachovaní pôvodného podvozku. Rušeň bol preznačený na a stal sa vychádzajúcim typom pre rekonštrukcie ďalších rušňov rady 740. Z rušňa bola odvodená aj rada 724, určená pre stredne ťažkú traťovú a posunovaciu službu v stredoeurópskych klimatických podmienkach, preberajúca z radu 744 všetky dôležité konštrukčné celky. Spaľovací motor bol zamenený za typ CAT 3412 E-DITA, ktorý je svojim nižším výkonom(600 kw) oproti motoru CAT 3512 vhodnejší pre vlečkovú prevádzku. Montáž iného motora si vyžiadala väčšie zmeny v usporiadaní strojovne a v riešení pomocných pohonov, inak je využitá maximálna unifikácia ako s radou 744, tak aj s ostatný mi rušňami(740) rekonštruovanými JLS Jihlava. 10

11 Pomocné pohony boli u rušňov radu a poháňané elektricky trojfázovými asynchrónnymi motormi, u ďalších rušňov radu 724 boli riešené pomocné pohony jednosmernými strojmi, u kompresorov neskôr hydraulickým alebo mechanickým pohonom hlavne kvôli zníženiu ceny rušňa. Rušeň radu bol upravený podľa požiadaviek zákazníka na nižší 600 kw výkon, ostatné časti sú koncepčne zhodné s radou (vid. Prílohu č.1). Obr.1 Rušeň radu a rušeň radu

12 1.3 Pomocné pohony diesel-elektrických rušňov všeobecne Kompresory Kompresory sú zdrojom stlačeného vzduchu ako pre vlakovú a rušňovú brzdu, tak aj pre pohon stykačov v trakčnom obvode. Ich príkon sa pohybuje v rozmedzí 15 až 30 kw. Vzduchový obvod vlakovej brzdy má prevádzkový tlak nastavený na pretlak 0,5 MPa (5 bar ). Pri brzdení na základe požiadavky rušňovodiča, brzdič na rušni znižuje tlak v brzdovom potrubí s rastúcim požadovaným brzdným účinkom. Pre potreby rýchleho odbrzdenia je predpisom ČD V15 stanovený krátkodobý pretlak 0,03 MPa (tj. tlak v potrubí 5,3 bar) a vysokotlakový švih 0,5 MPa (tj. tlak v potrubí 10 bar). Z toho vyplýva požiadavka na zásobu stlačeného vzduchu o tlaku 1 MPa. Množstvo stlačeného vzduchu sa zisťuje z dovoleného poklesu tlaku vzduchu v brzdovom potrubí pri prevádzkovom tlaku ( maximálny pokles tlaku vzduchu v brzdovom potrubí je 0,5 bar za 2 min. tesnosť brzdy ) a z predpokladanej spotreby vzduchu rušňa pre ovládanie stykačov. V praxi sa stanoví spotreba vzduchu na základe skúseností z prevádzky (charakter prevádzky rušňa- traťový rušeň, posunovací rušeň ). Vzhľadom k tomu, že rušne radu 724 vznikli rekonštrukciou a zo strany zákazníka je požiadavka na čo najnižšiu cenu, sú tu zachované pôvodné vzduchojemy (expanzné nádrže). Výkonnosť kompresora sa potom obvykle volí podobne, ako u pôvodných kompresorov, presnejší výpočet sa robí len v prípade špeciálnych požiadaviek zákazníka. Niektoré nové typy kompresorov by mohli mať menší výkon, pričom by sa využila regulácia množstva vzduchu otáčavou rýchlosťou. Regulátor by potom musel zaistiť spojitý chod kompresora a vhodnou reguláciou zaistiť postupné doplňovanie vzduchu. 12

13 1.3.2 Ventilátory Ventilátory zabezpečujú aktívne chladenie spaľovacieho motora, trakčného usmerňovača, odporníka elektrodynamickej brzdy a chladiča kompresora. Spaľovací motor, trakčný generátor, usmerňovač a kompresor majú vlastné ventilátory. Shuntovacie odporníky sú chladené prirodzenou cirkuláciou vzduchu (sú umiestnené v zadnej kapote pod žalúziami ). Množstvo vzduchu potrebné k chladeniu trakčného motora udáva jeho výrobca pre menovitý stav. Toto množstvo vzduchu musíme zaručiť vždy, pokiaľ chceme trakčný motor plne využiť. Charakter prevádzky vlečkových lokomotív často odpovedá strednému a ťažkému staničnému posunu, kedy je rýchlosť lokomotívy nízka a potreba ťažnej sily vysoká. Na rušňoch bývalej ČKD (radu 744,724 aj 774) sú použité trakčné motory TE 005 (TE 006), pre ktoré je menovité cudzie chladenie predpísané na 1,33m 3 /s. Trakčný motor musíme chladiť vždy, poprípade regulovať v závislosti na oteplení (tj. na trakčnom prúde) a zaistiť dochladzovanie. Chladenie elektrodynamickej brzdy kladie vyššie nároky na výkon chladenia. Práca trakčných motorov v režime jazdy sa z veľkej časti mení na mechanickú energiu (kinetickú energiu vlaku), v režime brzdy sa ale kinetická energia skoro celá mení na teplo v brzdovom odporníku. Odvod vznikajúceho tepla musí zaistiť práve ventilátor EDB. Energiu marenú v brzdovom odporníku možno čiastočne alebo úplne využiť k napájaniu vlastného ventilátora EDB alebo aj ventilátora trakčných motorov. V prípade využitia pomocnej napájacej siete by potom bolo potrebné energiu vracať pomocou meniča do medziobvodu alebo priamo do siete pomocných pohonov. EDB môže pracovať buď v režime spádovom, kde sa počíta s konštantnou rýchlosťou v oblasti nad trvalou rýchlosťou rušňa, alebo v režime zastavovanom, kedy sa rýchlosť rušňa blíži k nule ( v oblasti pod 5 km/h EDB stráca účinok ). V oblastiach nízkych rýchlostí je ale nutné zabezpečiť dostatočné chladenie trakčných motorov ( malé indukované napätie veľké prúdy). Preto je nutné vhodne zvoliť zapojenie motora ventilátora tak, aby sa zaistilo potrebné množstvo chladiaceho vzduchu vo všetkých režimoch brzdy a jazdy. 13

14 1.3.3 Budenie trakčného generátora Budenie generátora je v súčasných aplikáciách nevyhnutné. Používajú sa totiž krúžkové generátory. Tu musíme zvážiť dostupné možnosti, cenu a prevádzkové náklady. Prichádzajú tri možnosti: vstavaný rotačný budič, vonkajší rotačný budič a statický menič. V moderných dieselelektrických rušňoch sa dnes používajú statické budiče napájané z pomocnej napájacej siete. Výhodou tohto riešenia je predovšetkým odstránenie rotačných strojov ( budenie s vonkajším rotačným budičom), čím sa minimalizujú náklady na údržbu Akumulátorová batéria Akumulátorová batéria je zdrojom napätia pre štartér, riadiace a ovládacie obvody, vonkajšie a vnútorné osvetlenie a ďalšie obvody drobnej spotreby. Dobíjanie akumulátora zaisťuje obvykle rotačný stroj, ktorý je dodávaný spolu so spaľovacím motorom. Pozn.: Výkon kompresora a ventilátora predstavuje najväčšiu časť vlastnej spotreby energie rušňa. Preto je im ďalej venovaná najväčšia pozornosť. 14

15 2 ANALÝZA PÔVODNÉHO STAVU POMOCNÝCH POHONOV Analýzu pôvodného stavu pomocných pohonov som robil na rušni radu 740, pretože je východiskovým typom pre rad a Pomocné pohony na rušni radu 740. Hnací agregát, tvorený naftovým motorom ČKD K 6 S 230 DR a prírubovým pripojením trakčného dynama TD 805, tvorí spolu jeden montážny celok a slúži zároveň pre pohon pomocných pohonov. Od dvanásťdrážkovej remenice upevnenej na konci hriadeľa trakčného dynama je klinovými remeňmi poháňané : pomocné nabíjacie dynamo 3 budič 3 ventilátor chladenia trakčných motorov zadného podvozku 6 Pomocné nabíjacie dynamo a budič sú spolu s napínacím zariadením klinových remeňov upevnené na hornej strane telesa trakčného dynama. Radiálny ventilátor chladenia trakčných motorov zadného podvozku je upevnený na ráme rušňa na plechovom stojane, ktorý je súčasne vzduchovodom. Napínanie klinových remeňov sa deje posunom celého ventilátora (obr. 2). 15

16 Obr. 2 Pomocné pohony a ich usporiadanie 1 naftový motor, 2 trakčné dynamo, 3 budič, 4 nabíjacie dynamo, 5 ventilátor chladenia trakčných motorov predného podvozku, 6 ventilátor chladenia trakčných motorov zadného podvozku, 7 hriadeľ pohonu prevodovky, 8 mechanická prevodovka, 9 hriadeľ pohonu kompresora, 10 kompresor, 11 kĺbový hriadeľ, 12 ventilátor chladiča vody hlavného okruhu, 13 ventilátor chladiča vody vedľajšieho okruhu, 14 turbodúchadlo, 15 chladič oleja, 16 medzichladič plniaceho vzduchu, 17 palivové čističe, 18 združený regulátor, 19 pružná spojka Giubo-Gőtze, 20 chladič vody vedľajšieho okruhu, 21 chladič vody hlavného okruhu 16

17 Popis (obr. 2) : Od voľného konca klinového hriadeľa naftového motora je spojovacím hriadeľom 7, opatrený na oboch koncoch pružnými spojkami Giubo-Gőtze 19, poháňaná mechanická prevodovka 8. Od jej vstupného hriadeľa je remenica so štyrmi klinovými remeňmi poháňaný ventilátor chladenia trakčných motorov predného podvozku 5. Je rovnaký s ventilátorom chladenia trakčných motorov zadného podvozku a je namontovaný na krátkom nástavci na pravej strane rámu pod blokom chladiča. Klinové remene sa tiež napínajú posuvom celého ventilátora. Pri zaťažení cca 10 N uprostred, medzi remenicami v kolmom smere, nemá byť priehyb väčší ako mm. Z mechanickej prevodovky 8 sú poháňané : cez hriadeľ 9 s Giubo-Gőtze spojkami kompresor 10 cez kĺbový hriadeľ 11 ventilátory chladiča vody 12 a 13. Na (obr.3) je náhon mechanickej prevodovky, kompresora a ventilátor chladenia trakčných motorov predného podvozku. Obr.3 Rozmiestnenie pomocných pohonov pod prednou kapotou 17

18 Pružná spojka pohonu mechanickej prevodovky Pružná spojka typu Giubo-Gőtze má za úlohu zmierniť vplyv torzných kmitov naftového motora, kompresora a nárazov pri striedavom zapínaní a vypínaní kompresora a ventilátora chladiča vody. Dovoľuje určitú nepresnosť pri montáži oboch spojujúcich celkov, prípadne drobné premenlivé nepresnosti, ktoré vznikajú za prevádzky krížením a priehybom hlavného rámu rušňa. Toto spojenie nahrádza veľmi rozšírenú a u starších typov rušňov používanú pružnú spojku Periflex. Na kužeľovom konci naftového motora je nasadený prírubový náboj (obr. 4). Ďalší prírubový náboj 4 je nasadený na unášači 3 kužeľového konca vstupného hriadeľa do mechanickej prevodovky. Ten je zároveň kombinovaný s remenicou 5 pre pohon ventilátora chladenia trakčného motora predného podvozku, ktorá je zvonku zakrytá. K obom prírubám je vždy troma skrutkami 6 a 7 prikrútený pryžový kĺb Giubo-Gőtze 10. Medzi obe spojky kĺby je vložený trubkový spojovací hriadeľ 1, ktorý má na oboch koncoch navarené trojramenné príruby 9. Tieto príruby sú pomocou skrutiek 8 priskrutkované k obom pryžovým pružným kĺbom, samozrejme posunuté o 60. Tým je zaistený mäkký prenos krútiaceho momentu. Na prírube 2 na strane motora je pod pružnou spojkou vložená a priskrutkovaná ďalšia príruba 11 s tradičným puzdrom 12. Na strane prevodovky je centrované puzdro 12 privárané priamo k prírube 4, zabudované do remenice 5. Oba prečnievajúce konce spojovacieho hriadeľa 1 (za trojramennými prírubami 9) sú zasunuté do oboch strediacích puzdier 12. Ich súososť je vymedzená strediacími krúžkami 13. Zariadenie zamedzuje vybočeniu hriadeľa pri eventuálnom poškodení pružnej spojky a zároveň zaisťuje jeho centrovanosť. 18

19 Obr.4 Pružná spojka Giubo Gőtze 1 spojovací hriadeľ, 2 prírubový náboj na motore, 3 unášač na prevodovke, 4,11 príruba, 5 remenica, 6,7,8 skrutky, 9 trojramenná príruba, 10 pryžový kĺb Giubo Gőtze, 12 centrovacie puzdro, 13 strediaci krúžok Mechanická prevodovka Slúži pre pohon kompresora a dvoch ventilátorov chladičov vody. Je dvojdielna so zvislou deliacou rovinou, na spodku jej telesa sú štyri pätice pre priskrutkovanie k rámu rušňa (obr. 5). Má vstupný hriadeľ 1, poháňaný cez pružné spojky a spojovací hriadeľ od naftového motora. Maximálne vstupné otáčky sú 1250 min -1 a je schopná prenášať výkon 84 kw. Na vstupnom hriadeli 1 je uložené ozubené čelné koleso 4, ktoré poháňa prevodom do pomala čelné ozubené koleso 5 na vodorovnom výstupnom hriadeli 2. Výstupná hriadeľ poháňa s otáčkami maximálne 1115 min -1 cez pružné spojky Giubo Gőtze kompresor. Odoberaný výkon je 35,5 kw. Na hriadeli 2 je tiež upevnené kužeľové koleso 6, ktoré prevodom do rýchla poháňa pastorok 7 na zvislom výstupnom hriadeli 3, ktorý poháňa s najvyššími otáčkami 2100 min -1 kĺbový hriadeľ pre pohon remeníc ventilátora chladiča vody. 19

20 Obr.5 Mechanická prevodovka 1 vstupný hriadeľ, 2 výstupný hriadeľ vodorovný, 3 výstupný hriadeľ zvislý, 4,5 čelné ozubené kolesá, 6 kužeľové ozubené koleso, 7 pastorok, 8 zberný žliabok oleja V prevodovke je vlastná olejová náplň, plnenie sa robí odvetrávacím otvorom na hornej strane telesa. Na boku skrine je olejová kontrolka a na dne je ventil pre vypustenie oleja. Mazanie sa uskutočňuje namáčaním a ostrekovaním. Ozubené kolesá 5 a 6 sa namáčajú v olejovej náplni prevodovky, mažú tak vlastne ozubené prevody a zároveň aj ložiská. Vyššie umiestnené ložiská sú mazané olejom, ktorý je privádzaný ostrekovaním od ozubeného kolesa 4 do zberného žliabku 8 a odtiaľ rozvádzaný dvoma trubkami k ostávajúcim ložiskám. 20

21 2.2 Pohon kompresora Z vodorovného výstupného hriadeľa mechanickej prevodovky je prostredníctvom pružnej spojky Giubo Gőtze poháňaný kompresor. Prevedenie pružnej spojky je podobné ako pri pohone mechanickej prevodovky od voľného konca kľukového hriadeľa naftového motora. Na strane kompresora je pryžový kĺb pružnej spojky pripevnený na zotrvačník, ktorý je upevnený na kužeľovom konci kľukového hriadeľa kompresora. Na strane prevodovky je spojka upevnená na prírube a prírubovom náboji na výstupnom hriadeli. Spojovací hriadeľ je kratší než pri pohone prevodovky. Úlohou spojky je ukľudniť a zrovnomerniť chod kompresora, ktorý je pri chode naftového motora nepretržitý Kompresor Výrobu stlačeného vzduchu pre tlakovzdušnú brzdu a ostatné tlakovzdušné zariadenia zaisťuje kompresor typu K 3 LOK 1, u rušňov radu 742 od IX. výrobnej série kompresor K 3 LOK 5. Je to piestový, jednočinný dvojstupňový trojvalec s valcami do V s nepretržitým chodom. Jeho základnou časťou je liatinová skriňa, na ktorej sú v hornej časti priskrutkované tri valce v rozostavení do tvaru písmena V. Na valcoch sú priskrutkované liatinové sedlá, v ktorých sú uložené po jednom nasávací a výtlačný ventil. Ventily sú pritlačené do sediel samostatnými hlavami, ktoré rozdeľujú nasávací a výtlačný priestor. Na hlavy valcov je pripojené nasávacie, výtlačné a regulačné potrubie. Oba krajné valce sú prvého stupňa s vŕtaním 110 mm, stredný je druhého stupňa s vŕtaním 155 mm. Všetky tri piesty sú majú zdvih 120 mm. Kompresor má prirodzené chladenie, všetky valce sú preto rebrované. Mazanie je tlakové, zabezpečené zubovým olejovým čerpadlom, umiestneným na zadnom kryte kľukovej skrine. Je poháňané ozubenými kolesami od kľukovej hriadele. Nasáva olej z olejovej nádrže cez sieťový filter a vytlačuje ho do prevŕtaného kľukového hriadeľa a na klzné plochy ložísk a prevŕtanými driekmi ojníc k piestovým čapom. Vystrekujúci olej z rotujúcich častí je rozprašovaný na jemnú hmlu, ktorou sú mazané steny valcov a valčekové ložiská kľukového hriadeľa. Mazací tlak oleja sa má pohybovať v rozmedzí 0,3 až 0,4 MPa, čo zaisťuje regulačný ventil. Olejová náplň má objem 6 l a kontrola množstva sa meria meradlom. 21

22 Kompresor K 3 LOK 5 je takmer rovnakej konštrukcie. Líši sa tým, že nemá delené hlavy valcov, ale tieto sú odliate ako jeden celok. V každej hlave valca má dva poklopy, ktoré uľahčujú prístup k ventilom a odtláčajúcemu regulačnému zariadeniu bez demontáže potrubia. U regulačného zariadenia je prevedená úprava utesnenia piestu pre odtlačovanie nasávacích sacích ventilov. Kompresor (obr.6) nasáva vzduch z priestoru pod prednou kapotou cez suché filtre do oboch krajných valcov prvého stupňa 77. Z nich je stlačený vzduch o tlaku 0,3 až 0,33 MPa vytláčaný cez poistný ventil 26 (nastavený na 0,4 MPa), odkvapkávači 3 a medzichladič 2 do stredného valca druhého stupňa 78. Odtiaľ je vzduch o tlaku 0,83 až 0,98 MPa vytláčaný cez ďalší poistný ventil 27 (nastavený na 1,05 MPa) a spätný ventil 33 do dvoch hlavných vzduchojemov 4, každý o obsahu 500 l. Činnosť kompresora je riadená regulačným ventilom 29, tzv. spúšťačom kompresora, ktorý je cez uzatvárací ventil 43 pripojený na potrubie od hlavných vzduchojemov 4 za odolejovačom 21. Regulačný ventil 29 zaisťuje automaticky dodávku tlakového vzduchu do hlavných vzduchojemov tak, že pri tlaku 0,98 MPa sa výtlak kompresora prerušuje a pri poklese na dolnú hranicu 0,83 MPa opäť obnovuje. Pri hornej regulačnej hodnote ( 0,98 MPa ) v hlavných vzduchojemoch regulačný ventil 29 otvorí prechod tlakového vzduchu cez dvojitý spätný ventil 31 k odtláčajúcemu zariadeniu nasávacích ventilov 79 kompresora. Tento tlakový vzduch súčasne odvetráva prostredníctvom ventilov 34 spojovacie potrubie medzi prvým a druhým stupňom kompresora a výtlačné potrubie medzi kompresorom a hlavnými vzduchojemmi. Odľahčovacie zariadenie zabezpečuje odtlačenie nasávacích ventilov, a tým ich trvalé otvorenie a pracuje rovnako ako u iných radov rušňov v prevádzke ČSD. Stlačením tlačidla štart alebo stop sa uzatvorí tiež obvod pre elektromagnetický ventil 36 a pustí tlakový vzduch z prístrojového vzduchojemu 10 cez filter 25 do dvojitého spätného ventila 31. Podobne ako so spúšťačom 29 tento tlakový vzduch spôsobí odtlačenie doštičiek nasávacích ventilov 79 kompresora, a tým ich otvorenie, vyvetranie potrubia medzi prvým a druhým stupňom kompresora a výtlačného potrubia k hlavným vzduchojemom pomocou ventilu 34. Odľahčovacie zariadenie pri štart alebo stop pracuje vtedy, ak je v prístrojovom vzduchojeme tlakový vzduch, v opačnom prípade nemá význam. 22

23 Obr.6 Schéma činnosti a regulácie kompresora 1 kompresor, 2 medzichladič, 3 odkvapkávač, 4 hlavné vzduchojemy, 10 prístrojový vzduchojem, 21 odolejovač, 22 upravovač tlaku, 25 filter, 26 poistný ventil (0,4 MPa), 27 poistný ventil (1.05 MPa), 28 poistný ventil (1 MPa), 29 regulačný ventil (0,83 až 0,98 MPa), 31 dvojitý spätný ventil, 32,33 spätné ventily, 34 vypúšťací ventil s pneumatickým a ručným ovládaním, 36 elektropneumatický ventil, 41 ventil ¾, 43 ventil ¼, 77 valce prvého stupňa, 78 valec druhého stupňa, 79 odtlačovacie zariadenie nasávacích ventilov 23

24 3 ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU POMOCNÝCH POHONOV NA RUŠŇOCH RADU A Pomocné pohony sú stroje a zariadenia, ktoré zabezpečujú správnu a bezpečnú prevádzku trakčného vozidla. 3.1 Celková kompozícia rušňov radu a Obr.7 Zostavenie rušňov radu a Predná kapota je rozdelená na prednú a motorovú kapotu. V prednej kapote sú na čele vzduchotlakové prístroje a vzduchojemy a tiež príslušenstvo pneumatickej brzdy. V pravej časti je uložený elektrický brzdič DAKO BSE. V ďalšej časti je uložený elektricky poháňaný ventilátor trakčných motorov predného podvozku. Motorová kapota pokračuje priestorom pre akumulátorovú batériu. Tá sa skladá zo šiestich sád akumulátorov typu FERAK 6 KPH 150 P, zapojených sérioparalelne s výslednou kapacitou 300 Ah a napätím 24 V. Za priestorom pre akumulátory je komora výstupu chladiaceho vzduchu chladiča spaľovacieho motora. Ohriaty vzduch vystupuje po prechode 24

25 vodorovne umiestneným chladičom a mrežou zvisle nad kapotu. Chladič vodného okruhu spaľovacieho motora vyúsťuje do výdychovej komory, umiestnený je ale v poslednej časti prednej kapoty spolu so spaľovacím motorom a trakčným generátorom (obr.7). Spaľovací motor a trakčný generátor sú pripevnené k pomocnému rámu a s ním pružne vložené do hlavného rámu rušňa. Od voľného konca generátora je poháňané dynamo pomocných pohonov. Kabína má negatívne sklopené sklá, proti odrazu slnka. Vykurovanie kabíny zaisťuje teplovzdušný agregát WEBASTO alebo teplovodný kalorifer. V zadnej kapote je umiestnený silnoprúdový rozvádzač, blok EDB a ventilátor chladenia trakčného motora zadného podvozku. Spaľovací motor Caterpillar 3412 E DI-TA je stojatý radový vznetový dvanásťvalec, preplňovaný turbodýchadlami. Spaľovací motor pracuje v rozsahu otáčok /min, pri maximálnych otáčkach dosahuje výkon 627 kw. Chladenie motora je vodné, motor je vybavený bypasom pre rýchle dosiahnutie optimálnej teploty. Rušne radu majú na ráme v tesnej blízkosti motorovej kabíny dva kompresory 3 DSK 100, poháňané klinovými remeňmi z voľného konca trakčného generátora. 3.2 Kompresory na rušňoch radu a Na rušňoch radu sú použité piestové kompresory ČKD 3 DSK 100 a na rušňoch radu sú kompresory riešené v dvoch variantoch. Prvý variant zahŕňa dva piestové kompresory ČKD 3 DSK 100 (obr.9) a druhý variant je lamelový kompresor Mattei C134 (obr.12). Prvý variant - dva kompresory ČKD 3 DSK 100 sú poháňané od voľného konca generátora cez elektromagnetickú spojku. Problém tohto spôsobu spočíva v klinových remeňoch, ktoré vyžadujú častú kontrolu a ich cena je pomerne vysoká. Okrem toho je nutné umiestniť kompresory bezprostredne u voľného konca generátora tak, aby rozvod klinovými remeňmi zaberal čo najmenej priestoru (obr.8). Tieto kompresory majú zvýšené prevádzkové náklady a tiež vyššie náklady na údržbu ( tab. 2 ). 25

26 Obr.8 Umiestnenie kompresora 3 DSK 100 v strojovni Pohon kompresora 3 DSK mechanický prenos výkonu (klinový remeň) - od voľného konca generátora cez elektromagnetickú spojku na kompresor Elektromagnetická spojka je ovládaná od tlakového spínača na vzduchojeme. Parametre kompresora 3 DSK 100: Menovitý tlak 1 MPa Výkon pri menovitom tlaku 100 m 3 /hod Počet otáčok 1500 ot/ min Počet valcov 3 Zdvih piestov 90 mm Príkon 14,6 kw Hmotnosť 380 kg 26

27 Obr.9 Kompresor 3 DSK 100 Druhý variant - je aplikácia hydrostatického pohonu poháňaného od generátora na pohon lamelového kompresora Mattei C134. Skladá sa z hydrogenerátora (čerpadla), hydrostatického motora a olejového hospodárstva. Výhodou je okrem možností regulácie tlakom oleja aj voliteľné umiestnenie. Často sa kompresor umiestňuje do prednej časti kapoty, ktorá je vyhradená vzduchovým zariadeniam (obr.10). Zloženie rušňa je potom celistvé, čo sa prejaví aj pri navrhovaní vzduchových, chladiacich aj elektrických okruhov. Nevýhodou je náchylnosť k netesnostiam olejového okruhu, z čoho vyplývajú vysoké náklady na údržbu. Z hydrostatického systému sa olej musí meniť každý rok a to v objeme cca 200 l, pričom sa olej musí ešte prefiltrovať, pretože z výroby nie je dostatočne čistý. Obr.10 Umiestnenie kompresora Mattei C134 v strojovni 27

28 Pohon kompresora Mattei C134 kompresor je poháňaný prostredníctvom čerpadla a hydrostatického motora. Čerpadlo je poháňané od voľného konca generátora (obr.11). Čerpadlo poháňa hydrostatický motor, ktorý poháňa kompresor Mattei C menovité otáčky hydrostatického motora n = 1500 ot/ min Parametre kompresora Mattei C134 : Obr. 11 Čerpadlo - hydrogenerátor Menovitý tlak Výkon pri menovitom tlaku Počet otáčok Hlučnosť Hmotnosť 1 MPa 180 m 3 /hod 1460 ot/ min 79 db 260 kg Obr.12 Kompresor Mattei C134 28

29 3.3 Ventilátory na rušňoch radu a Hlavnú úlohu chladenia na rušňoch radu a majú ventilátory trakčných motorov a ventilátory EDB (obr.13). Možno spomenúť aj ventilátor na chladenie dieselového motora, ale ten spravidla dodáva výrobca ako súčasť motora. Na rušňoch radu a ide o radiálne ventilátory ČKD poháňané jednosmerným elektromotorom pomocou klinového remeňa. Radiálny ventilátor má na výstupe oproti axiálnemu väčší tlak, takže sa hodí k chladeniu vzduchovými kanálmi. Kvôli jednoduchosti regulácie a zjednodušeniu kombinovaného napájania pri elektrodynamickom brzdení bol volený jednosmerný motor napájaný z poslednej odbočky odporníka (obr.14), ktorý je poháňaný opäť klinovým remeňom od remenice jednosmerného motora. Každý podvozok rušňa má jeden ventilátor spoločný pre dva trakčné motory. Počet klinových remeňov je tu pomerne vysoký. Obr.13 Umiestnenie jednosmerných motorov a ventilátorov v strojovni Na chladenie EDB som zvolil axiálny ventilátor VE-630 (obr. 15) s jednosmerným motorom. Zvolil som variant napájania jednosmerného motora z brzdového odporníka (obr.14). Čiže jednosmerný motor je zapojený na poslednú odbočku brzdového odporníka a využíva úbytok napätia na odporníku. 29

30 To znamená, že otáčky ventilátora sú závislé na hodnote prúdu, ktorý prechádza cez brzdový odporník. Motor ventilátora je pripojený paralelne k brzdovému odporníku na najmenšiu odbočku. Obr.14 Pripojenie motora ventilátora k odporníku Obr.15 Axiálny ventilátor VE-630 pre chladenie EDB 30

31 3.4 Budič trakčného generátora na rušňoch radu a Na rekonštruované rušne boli dosadené generátory Siemens Drásov, buď so vstavaným rotačným budičom, alebo s vonkajším rotačným budičom. Prvá možnosť si vyžadovala konštrukčne zložitejší generátor, jeho cena bola väčšia. Možnosť s vonkajším rotačným budičom (obr.17) je odskúšaná vo veľa prípadoch, ale nevýhoda je nutnosť údržby ďalšieho rotačného stroja a použitie klinových remeňov. Poháňaný je generátorom cez klinový prevod. Budenie je riadené regulátorom budenia NES Nová Dubnica. Stále je tu ešte možnosť nahradiť rotačný budič statickým meničom, čím by sa znížili náklady na údržbu. Obr.16 Schéma zapojenia vonkajšieho rotačného budiča Obr.17 Vonkajší rotačný budič trakčného generátora na rušni radu a

32 4 Návrh novej koncepcie pomocných pohonov na rušni radu a Obr.18 Koncepcia pomocných pohonov 4.1 Meniče pre napájanie pomocných pohonov Pri zvolení meničov som musel dbať na to, že menič bude mechanicky namáhaný (otrasy a pod.). Preto som zvolil meniče od firmy Siemens, typ SN , tieto meniče mi vyhovujú po stránke výkonovej aj frekvenčnej (rozsah pracovnej frekvencie). Výstupné napätie z meničov je riadené stavaným skalárnym riadením. Vzhľadom na cenu a dostupnosť meničov som zvolil meniče pomocných pohonov rovnakého typu, pričom by som mohol docieliť zľavu od výrobcu meničov. Pri väčšom odbere jedného typu meniča výrobca poskytuje zľavu [ 8 ]. 32

33 Meniče od firmy Siemens typ SN : pracujú stabilne pri napájacom jednosmernom napätí ( ) V. maximálny výstupný výkon 35 kw. rozsah pracovnej frekvencie na výstupe 1 až 70 Hz. 4.2 Návrh typu pohonu pre ventilátor TM Na trhu je k dispozícii veľké množstvo rôznych konštrukčných riešení ventilátorov, takže je jednoduché vyhľadať z katalógu výrobcu údaje, ktoré potrebujeme pre návrh chladenia. Ale ja som ponechal pôvodné ventilátory, vzhľadom na cenu a zachovanosť. Pri návrhu chladenia musíme dbať aj na správne zvolený pohon ventilátora, aby sme docielili kompatibilitu celku. Z hľadiska ekonomického, by som použil tie isté ventilátory, len s iným pohonom. Použijem ASM na pohon ventilátora, pretože v porovnaní s jednosmerným motorom má menšie požiadavky na údržbu a je výkonnejší k pomeru váhy. Vzhľadom na použité meniče a ich pracovnú frekvenciu som zvolil ASM s parametrami. Parametre ASM Siemens typ 1LA AA : P 2 = 2* 15 kw n 2 = 1500 ot/min U 2 = 400 V ~ / Y 2p = 4 P 2 menovitý výkon ASM n 2 menovité otáčky ASM U 2 napájacie napätie ASM Parametre meniča typ SN : P = 35 kw fp = 1 70 Hz U = 540 V- P menovitý výkon meniča fp pracovná frekvencia U napájacie napätie meniča 33

34 pre danú funkciu meniča je použité skalárne riadenie. Trakčný motor TE 005, použitý na dieselelektrických rušňoch rady 724 ČKD, vyžaduje menovité chladenie o prietoku 1,33 m 3 /s vzduchu. Rušeň rady 724 má štyri trakčné motory, preto potrebujeme na chladenie dva radiálne ventilátory a zároveň dva ASM o výkone 15 kw. Spolu potrebujem dodať výkon 30 kw z čoho vyplýva, že musím použiť menič o výkone 30 kw. Vzhľadom na stiesnený priestor, kde je uložený ventilátor, som zvolil uložiť ASM na ventilátor. Prenos výkonu z ASM na ventilátor bude cez klinové remene (obr. 19). Obr.19 Uloženie asynchrónneho motora na ventilátor Výkonnosť ventilátora je podmienená otáčkami ASM. Požiadavky na potrebný prietok vzduchu by vyhodnocovala riadiaca jednotka, ktorá by zisťovala oteplenie TM. Zistenie oteplenia TM : použitím senzora ( infrateplomerom ) na meranie teploty TM 34

35 Meranie oteplenia točivých strojov infrateplomerom Táto metóda je v súčasnosti rýchlo rozvíjajúca sa vo všetkých oblastiach snímania teploty. Bezkontaktné snímanie bez zásahu do meraného objektu a rýchla odozva sú hlavné výhody prečo sa táto metóda v súčasnosti dostáva do popredia. Infrateplomer radiačný teplomer je teplomer na meranie vysokých teplôt založený na zákonoch tepelného žiarenia ( Planckov vyžiarovací zákon, Wienov zákon, Stefan Bolcmanov zákon ). Infrateplomery využívajú k meraniu infrasnímače, ktoré bezkontaktne snímajú infračervené žiarenie vyžarované z určitej plochy na povrchu meraného materiálu. Na rovnakom princípe pracujú aj svetelné infračidlá. Veľkosť tejto plochy (väčšinou kruhovej) je závislá na zabudovanej optike prístroja. Po spracovaní prijatého žiarenia infrateplomery zobrazujú priemernú teplotu meranej plochy (obr.20). Obr.20. Priemyselný infrateplomer Infrateplomery sú veľmi rýchle meracie prístroje, schopné reagovať v priebehu niekoľko desatín sekúnd. Výborne fungujú pri meraní teploty dreva, plastu, kameňa, natretých a izolovaných kovov a ďalších materiálov. Nevýhoda infrateplomerov je pri meraní kovov s lesklým povrchom, kedy je treba pred meraním nastaviť tzv. emisné číslo (emisivitu) konkrétneho materiálu. Ak sa táto hodnota nastaví nesprávne môže pri meraní dôjsť k chybám veľkosti niekoľko desiatok Kelvinov. Preto pre meranie oteplenia komutátora je nutné vybrať infrateplomer s emisivitou materiálu komutátora alebo infrateplomer s nastaviteľným emisným číslom. Maximálna dovolená teplota komutátora je 185 ºC. Zvolenou metódou, použitím infrakamier by som meral teplotu TM a ochladzoval ho na prevádzkovú teplotu. 35

36 4.2 Návrh typu pohonu pre kompresor (výkonnosť 100 m 3 /h, tlak vo výtlaku 1 MPa) Návrh pohonu pre kompresor musíme zvoliť pre určitý druh kompresora, aby nám parametre pohonu postačovali na dosiahnutie požadovaného tlaku vzduchu 1 MPa. Navrhol som, s prihliadnutím na parametre a cenu, lamelový kompresor. Vyhovuje mi na pokrytie požadovaného stlačeného vzduchu ( pozri tab. 2 ). Na riadenie ASM použijem menič so skalárnym riadením. Menič so vstavaným skalárnym riadením vyhovuje pre danú funkciu. Porovnanie kompresorov ( viď. tab. 1 ) : Piestový (3 DSK 100) Skrutkový (SE 80 lok) Lamelový (Mattei C134) výkonnosť 100 m 3 /h, tlak vo výtlaku 1 MPa Piestový Skrutkový (3 DSK 100) (SE 80 lok) Účinnosť (objemová) 65% 70% 90% Lamelový (Mattei C134) Zmena otáčok, odľahčenie Zmena otáčok Zmena otáčok Spôsob regulácie Prevádzkové otáčky 1400 ot/min 1455 ot/min 1500 ot/min Potreba odlučovača oleja Áno Áno Áno Vyvážené zotrvačné hmoty Nie Áno Áno Opotrebovanie pohyblivých častí Veľké Malé Minimálne Hlučnosť 82 db 68 db 73 db Hmotnosť 380 kg 290 kg 260 kg Rozmery (mm) 1200x750x x685x x815x600 Cena 40% 100% 65% Tab. 1 porovnanie kompresorov Lamelové kompresory sú jednorotorové stroje (obr.21). Ich hlavné časti v pracovnom priestore lamelového kompresora, je excentricky uložený rotor s radiálne vyfrézovanými drážkami. 36

37 V drážkach uložené lamely (krídla ) sú pri rotácii pritláčané odstredivou silou k stenám valca. Tým je pracovný priestor rozdelený na niekoľko komôrok, ich objem sa pri rotácii mení. Obr. 21 Schéma lamelového kompresora 1- sací filter, 2 separátor (odlučuje olej zo stlač. vzduchu), 3 spoločný chladič oleja a stlač. vzduchu, 4 olejový filter, 5 termostat oleja, 6 rotor, 7 lamela, 8 ventil, minimálneho tlaku, 9 olej, 10 poisťovací ventil Popis činnosti : Najprv, po spojení pracovnej komôrky so sacím hrdlom, dochádza k nasávaniu, zväčšovaniu objemu a potom ku kompresii zmenšovaním objemu komôrky. Lamela prebehne hranu výtlačného otvoru, potom je kompresia v pracovnom priestore ukončená a stlačený plyn prúdi do výtlačného hrdla. Veľkosť dosahovaného tlakového pomeru pri kompresii závisí len na polohe tejto hrany a pri ľubovoľnom tlaku vo výtlačnom potrubí zostáva konštantný. Lamelové kompresory sú veľkou konkurenciou pre kompresory skrutkové. Ich konštrukcia umožňuje vyrábať súčasti s menšou presnosťou, pretože pohyblivé časti komôr kompresora sa šmýkajú po olejovom filme, ktorý tu má funkciu mazaciu aj tesniacu. Vďaka tomu je menšie aj ich opotrebenie. Menovité otáčky rotora kompresora sa pohybujú okolo 1300 až 1500 ot/min. Regulácia výkonnosti je otáčková, podľa odporučenia výrobcu je hospodárna v hornej 37

38 polovici rozsahu otáčok, kedy je zaistená dostatočná odstredivá sila lamiel. Vlastnosti výstupu sú podobné ako u skrutkových kompresorov. Veľkou výhodou je pomerne nízka cena. Zvolenie pohonu pre lamelový kompresor vychádza z jeho menovitých otáčok a potrebného výkonu. Pohon kompresora som zvolil ASM vzhľadom na jeho vlastnosti, s nasledujúcimi parametrami. Parametre ASM Siemens typ 1LG AA60 : P 3 = 30 kw n 3 = 1465 ot/min U 3 = 400 V ~ / Y 2p = 4 P 3 menovitý výkon ASM n 3 menovité otáčky ASM U 3 napájacie napätie ASM Parametre meniča typ SN : P = 35 kw fp = 1 70 Hz U = 540 V- P menovitý výkon meniča fp pracovná frekvencia U napájacie napätie meniča pre danú funkciu meniča je použité skalárne riadenie. Výstupný stlačený vzduch z kompresora sa ochladzuje ventilátorom, ktorý je poháňaný ASM motorom. Pre dosiahnutie potrebnej teploty stlačeného vzduchu potrebujem ASM o výkone 4 kw, ktorý je napájaný paralelne k ASM kompresoru. Podľa odporúčania výrobcu kompresora som zvolil rozbeh kompresora od nulovej frekvencie, čo nám spôsobí rozbeh kompresora plynule od nulových otáčok a tým znížime poruchovosť kompresora [8]. Rozbeh kompresora by riadil regulátor pomocných pohonov, ktorý meria tlak vo zduchojemoch a vyhodnocuje, riadi otáčky a tým výstupný tlak z kompresora. 38

39 4.4 Návrh budenia trakčného generátora Pri zvolení typu budenia trakčného generátora som bral do úvahy hlavne systém s najlepšou dynamikou. A preto som zvolil systém statického budenia trakčného generátora, ktorý dosahuje nabudenie za 2 sekundy a odbudenie za 1,5 sekundy.. Dynamika systému nám ovplyvňuje rýchlosť odbudenia trakčného generátora, čím môžeme dosiahnuť rádovo jednotky sekúnd. V tomto statickom meniči je zahrnutá aj prepäťová ochrana vo forme odporníka. Vzhľadom na to, že meniče sú konštruované na normálnu prevádzku, tak nám do pomocnej siete vracajú energiu, ktorá vzniká pri zastavovaní motorov pomocných pohonov. Preto som použil tento odporník, aby sa nadbytočná energia premenila na teplo v odporníku(obr. 27). Obr.27 Principiálna bloková schéma statického budenia trakčného generátora Parametre statického meniča : P max = 10 kw I max = 100 A max Uv = V P max maximálny výstupný výkon I max maximálny výstupný prúd Uv výstupné jednosmerné napätie 39

40 5 Návrh novej napájacej siete pre pomocné pohony Sieť pre pomocné pohony na nezávislých rušňoch môžem riešiť rozličnými spôsobmi. Základnými možnosťami sú : oddelená jednosmerná sieť pomocných pohonov oddelená striedavá sieť pomocných pohonov spoločná striedavá sieť pre trakciu a pomocné pohony spoločná jednosmerná sieť pre trakciu a pomocné pohony Spoločným problémom je otázka stability pomocnej siete. Výstup z generátora sa nedá označiť za tvrdý už z toho dôvodu, že generátor je poháňaný spaľovacím motorom, ktorý možno preťažiť až do zastavenia. Potom, keby sme generátoru nedodali požadované otáčky a na jeho výstupe by sme požadovali náhly skok výkonu, môže dôjsť k zníženiu napätia a frekvencie, čo vedie k rozpadu pomocnej siete. Preto je nutné dobre navrhnúť regulátor siete, aby nedošlo k takémuto javu. Sieť pre pomocné pohony má veľa výhod. Zo spoločnej siete môžeme napájať regulovateľné meniče pre pohon asynchrónnych motorov. Môžeme tiež regulovať chod kompresora, veľkosť otáčok. Potom môžeme vzduch dopĺňať spojite, bez prerušovania. Ďalšou výhodou je možnosť použiť statický budič generátora. 40

41 5.1 Prehľad druhov napájacích sietí - oddelená jednosmerná sieť pomocných pohonov - oddelená striedavá sieť pomocných pohonov - spoločná striedavá sieť pre trakciu a pomocné pohony - spoločná jednosmerná sieť pre trakciu a pomocné pohony Oddelená striedavá sieť pomocných pohonov Každý menič (striedač) pomocných pohonov obsahuje jednosmerný medziobvod. Zmeny frekvencie sú vyvolané zmenou otáčok spaľovacieho motora. Tieto zmeny vyrovnáva práve jednosmerný medziobvod každého meniča. Uvedené meniče sú drahé a musia sa objednávať (neskladujú sa na sklade). V tejto variante sú použité dva generátory ( trakčný a pre pomocné pohony ) z čoho vyplýva, že generátor pomocných pohonov je poháňaný klinovým remeňom. S tým sa zväčšia náklady na údržbu. Obr.22 Principiálna schéma s oddelenou striedavou sieťou pomocných pohonov 41

42 5.1.2 Spoločná striedavá sieť pre trakciu a pomocné pohony Hlavnou myšlienkou vytvorenia jednej spoločnej striedavej siete, je odstránenie čo najväčšieho počtu rotačných strojov. Musíme ale potom pristúpiť ku zložitejšej zmene regulácie trakčných motorov. Vytvorením striedavej siete budeme mať k dispozícii striedavé napätie, kde musíme použiť riadený usmerňovač na reguláciu napätia. Pre potreby siete je ale nutné budením držať veľkosť napätia na konštantnej hodnote. Potrebný výkon sa bude dodávať zmenou otáčok spaľovacieho motora. Tým sa ale bude meniť frekvencia v sieti, z čoho vyplýva zložitejší návrh riadeného trakčného usmerňovača. Tu sa bude treba pozastaviť pri návrhu filtra, komutácii a riadení. Vzhľadom na to, že trakčné motory majú menovité napájacie jednosmerné napätie 850V, je nutné zvoliť striedavé napätie siete minimálne 700 V. Tu nastáva problém s napájacím napätím meničov (cena meničov). Z toho vyplýva, že tento variant nie je ekonomický pri použití jednosmerných trakčných motorov. Obr.23 Principiálna schéma so spoločným striedavým medziobvodom 42

43 5.1.3 Spoločná jednosmerná sieť pre trakciu a pomocné pohony Táto sieť je v podstate podobou predchádzajúceho riešenia. Podstatnou zmenou je tu ale použitie asynchrónnych trakčných motorov a jednosmerného napätia medziobvodu. Do budúcnosti sa toto riešenie javí ako progresívne. V západnej Európe bolo vyrobených už niekoľko typov rušňov (EuroRunner[őBB 2016]) práve s týmto usporiadaním. Asynchrónne motory majú výrazne menšie nároky na údržbu a vyššiu prevádzkovú spoľahlivosť ako jednosmerné motory. S týmto variantom nemôžem počítať, lebo na rušni radu a sú použité jednosmerné motory. Obr.24 Principiálna schéma so spoločným jednosmerným obvodom pre trakciu a pomocné pohony 43

44 5.1.4 Oddelená jednosmerná sieť pomocných pohonov Oddelená sieť sa zdá byť veľmi jednoduchá, čo sa týka návrhu siete. Tento spôsob vyžaduje tiež dva generátory. Najskôr sa používal prídavný generátor hnaný klinovými remeňmi od hlavného generátora. U rušňa sa prešlo na dvojitý generátor, čo sú v podstate dva generátory za sebou na jednej hriadeli. Konečné riešenie závisí aj na priestorových možnostiach. Výhoda tohto riešenia je zrejmá z obrázku (obr.25): bežne vyrábané meniče ( napájané s trojfázovej siete ) majú svoje vstupné usmerňovače pre vlastný jednosmerný medziobvod. Takto môžeme použiť meniče napájané jednosmerným napätím ( bez usmerňovača ) a ušetriť počet usmerňovačov. Obr.25 Principiálna schéma s oddeleným jednosmerným obvodom pre pomocné pohony 44

45 5.2 Návrh oddelenej jednosmernej siete pomocných pohonov Na základe predošlých kapitol som uvažoval medzi dvoma možnosťami, a to : oddelená striedavá sieť pomocných pohonov oddelená jednosmerná sieť pomocných pohonov Tieto dve varianty mi vyhovujú pre danú rekonštrukciu radu a Sieť v týchto variantoch je najstabilnejšia. Ale pri štarte pomocných pohonov vznikajú prúdové rázy, ktoré musíme pokryť a tu nastáva problém s variantou so spoločným striedavým medziobvodom, lebo by som musel použiť meniče (riadené), ktoré dodávajú energiu do spoločnej striedavej siete na pokrytie záťažových špičiek. Preto som zvolil napájanie pomocných pohonov so spoločným jednosmerným medziobvodom ( pozri prílohu 2 ). Každý menič má v medziobvode zapojený kondenzátor, tieto kondenzátory meničov sú zapojené paralelne a výsledná kapacita je súčet kapacít kondenzátorov ( Ca + Cb + Cc = Cv ). A práve táto výsledná kapacita sa využije na pokrytie záťažových špičiek. Tento návrh vyžaduje dva generátory, kde mi nastáva problém s klinovými remeňmi. Preto som zvolil typ dvojitého generátora, čo znamená, že sú dva generátory na jednej hriadeli (Obr.26), a tak mi odpadá problém s klinovým remeňom a jeho údržbou. Ďalšou výhodou je, že bežné meniče majú svoje vstupné usmerňovače pre vlastný jednosmerný medziobvod a ja môžem použiť meniče napájané jednosmerným napätím. S tým docielim ušetrenie usmerňovacích prvkov. Slabinou mojej napájacej sústavy je spoločný usmerňovač, túto slabinu odstránim predimenzovaním hlavného usmerňovača. Trojfázové striedavé napätie na výstupe pomocného generátora je 400 V, čo je efektívna združená hodnota napätia. Po usmernení trojfázovým neriadeným usmerňovačom je v jednosmernom medziobvode hodnota jednosmerného napätia 540 V. U AV = (3 * 3)\π * (Us* 2) \ 3 = (3 * 3)\π * (400* 2) \ 3 = 540,4 V U AV stredná hodnota jednosmerného napätia v pomocnej sieti 45

46 Z meničov a ich parametrov je dovolená tolerancia kolísania siete ± 20 %. Z toho vyplýva maximálne dovolené jednosmerné napätie v pomocnej sieti 648 V a minimálne jednosmerné napätie 432 V. Obr.26 Trakčný a pomocný generátor na jednom hriadeli typ 1FB2631-6B029 - Pomocný generátor pre napájanie pomocných pohonov Vzhľadom na požadovaný výkon som zvolil generátor od firmy Siemens typ 1FB2631-6B029, tento typ generátora zahŕňa v sebe trakčný aj pomocný generátor, ktoré sú uložené na jednom hriadeli(obr.26). 46

47 Pc = ( Psm + Pchtm + Pk + Pchd ) * k Psm príkon statického meniča Pchd príkon na chladenie dieslu Pchtm príkon na chladenie trakčných motorov Pk príkon kompresora 30 kw + príkon chladenia vzduchu 4 kw k koeficient strát [ 1,05 ] Pc = ( Psm + Pchtm + Pk + Pchd ) * k = ( ) * 1,05 = = 104 * 1,05 = 109,2 kva Parametre pomocného generátora Siemens typ 1FB2631-6B029 : n max = 1800 ot/min -1 n max maximálne otáčky generátora U S = 400 V/ Y U S výstupné združené napätie f = 90 Hz f výstupná frekvencia pri1800ot/min -1 cos φ = 0,8 cos φ účinník generátora S = 110 kva S zdanlivý výkon I max = 175 A I max maximálny prúd V štruktúre napájacej siete sú ochranné obvody, ktoré zabezpečujú ochranu pre meniče pomocných pohonov(pri poruche zvýšenie napájacieho napätia), kde som použil napäťovú a prúdovú ochranu siete. Napájanie meničov som navrhol cez poistky, ak by nastala porucha na pohone pomocného pohonu. Tieto poistky musia byť pomalé, aby náraz prúdu pri zapnutí motora neprekročil ochrannú časovú dobu poistky. Riadenie štruktúry zabezpečuje RIADIACA JEDNOTKA (hlavný regulátor), ktorá spracováva a vyhodnocuje požiadavky na výkon pomocnej siete a podľa toho ovplyvňuje výkon generátora a tiež otáčky spaľovacieho motora cez regulátor dieselu (obr. 28). 47