naše weby

Výpravní budova 16/H
aktualizace 21. 11. 2016
Tranzitní koridory
popisy, tabulky, foto...
Historie českých SPZ
aktualizace 12. 1. 2007
Elektrizace ve Slezsku
historie, mapy, tabulky

naši partneři

praktické

RSS 2.0RSS 2.0

tiráž

© Společnost přátel kolejové dopravy,
2004–2017
ISSN 1801-6189
celá tiráž | přispěvatelé
zacházení s cookies
redakce@k-report.net

články » železnice » vozidla » elektrické lokomotivy siemens es 64 u4

Elektrické lokomotivy Siemens ES 64 U4

text: Jan Maj, Jiří Pohl
vloženo: 19. 8. 2005

Text uveřejněn se souhlasem organizátorů akce Czech Raildays, originál je zveřejněn zde.
Fotografie doplnila redakce K-reportu.

První prakticky upotřebitelnou elektrickou lokomotivu předvedl světu Werner Siemens dne 31. 5. 1879 na průmyslové výstavě v Berlíně. Měla jediný trakční motor o výkonu 2 kW, napájený napětím 150 V. Její hmotnost byla přibližně 1 t a jezdila se třemi vozy rychlostí 7 km/h. Vývoj šel rychle kupředu. Dorothea, dodaná v roce 1882 kamenouhelným dolům v Zaukerode, již v sobě měla prakticky všechny principy, používané u stejnosměrných lokomotiv s odporovou regulací, stavěných mnoha výrobci až do konce dvacátého století. V roce 1896 přišel Werner Siemens s myšlenkou jednofázového napájení elektrických drah vysokým napětím s transformací na lokomotivě a v roce 1896 postavila firma Siemens-Halske první lokomotivu s třífázovými asynchronními motory. V roce 1903 se již na zkušební trati Marienfelde – Zossen proháněla třífázová elektrická lokomotiva s asynchronními trakčními motory rychlostí 150 km/h.

Obrázek je již v plné velikosti. Třífázová elektrická lokomotiva Siemens z roku 1903 Tato lokomotiva byla později rozdělena na dvě menší, jedna „polovina“ poté jezdila na vlečce závodu Siemens v berlínské čtvrti Gartenfeld.
Obrázek je již v plné velikosti. Další novinkou z dílny společnosti Siemens byl elektrický vůz, který dokonce jezdil rychlostí 210 km/h. Obrázek je již v plné velikosti. Experimentů, vedených společností Studiengesselschaft für elektrische Schnellbahnen (StES), se zůčastnil i obdobný vůz konkurenční firmy AEG.

A tak to šlo dál, rok za rokem, celé dvacáté století a začátek století jednadvacátého, až do dnešních dnů. Někdy bylo zakázek více, jindy jich bylo méně. Ale vždy na špičce techniky, vždy v lize se soupeři zvučných jmen: AEG, BBC, GE, Bombardier, Alstom,...

Ve 126 let dlouhé historii elektrických lokomotiv Siemens má každý rok své místo, vždy bylo co zlepšovat a krok za krokem vozidla zdokonalovat, vždy byl nějaký aktuální úkol k řešení. Je tomu tak i v současnosti. Dokládá to i soudobá nejmodernější a nejdokonalejší panevropská elektrická lokomotiva typu ES 64 U4, zastoupená na veletrhu Czech Raildais vozidlem řady 1216.002 Rakouských spolkových drah (ÖBB).

Prvý krok: Eurosprinter ES 64 U1/ES 64 U2 (Rh 1016/1116 ÖBB – Taurus)

V závěru devadesátých let minulého století se Rakouské spolkové dráhy rozhodly provést zásadní obměnu svého parku elektrických lokomotiv. Zvolili si k tomu vozidlo mimořádných parametrů: výkon 6 400 kW, čtyřnápravové provedení, maximální rychlost 230 km/h, špičkové technické úrovně a velmi pohledných tvarů. Ještě nikdy nevypadlo 10 000 koní tak krásně, hodnotili prototypy tmavě červených lokomotiv nadšení obdivovatelé železniční techniky. Objednávka 400 vozidel svědčí o významu lokomotiv této kategorie v dlouhodobých záměrech ÖBB.

Lokomotivy, které byly před nedávnem překvapením, se díky početným dodávkám staly v průběhu několika let po uzavření kontraktu typickým symbolem rakouských železnic. Jde o lokomotivy v pravdě univerzální, vhodné pro dopravu rychlíků i těžkých nákladních vlaků, což výrazně zjednodušuje organizaci provozu a umožňuje jejich vysoké každodenní využití. K tomu též přispívá jejich vysoká provozní spolehlivost a minimální náročnost na údržbu. Zejména v souvislosti se strmými a dlouhými alpskými rampami, elektrizovanými systémem 15 kV 16,7 Hz, je podstatným přínosem těchto lokomotiv rekuperační elektrodynamická brzda, doplněná o vysoce výkonnou třecí brzdu s rychloběžnými kotouči.

Železniční doprava má v Evropě výrazně nadnárodní charakter a tak začaly být lokomotivy 1016 používány i na náročných mezistátních vozebních ramenech spojujících přes horské průsmyky Rakousko s Německem a Švýcarskem. K provozu do dalších s Rakouskem sousedících zemí, majících tratě elektrizované nikoliv systémem 15 kV 16,7 Hz, ale systémem 25 kV 50 Hz, tedy do Maďarska, Slovenska a Česka, byl výchozí typ po dodávce prvních 50 jednosystémových lokomotiv řady 1016 pro napětí 15 kV 16,7 Hz modifikován na dvousystémové provedení pro napájecí napětí 15 kV 16,7 Hz a 25 kV 50 Hz, označený řadou 1116.

Lokomotivy 1016.023 a 1116.100 v barvách „Licht ins Dunkel“ (Světlo v temnotě) foto Ulf Fischer, Cristian Beckers (www.eisenbahn-bilder.com)
Lokomotiva 1116.200 v barvách „Semmering“ ve Vídni 11. května 2005 foto www.bahnnews-austria.at Stroj 1116.246 v barvách, propagující padesáté výročí rakouské armády (Bundesheer)

foto www.bahnnews-austria.at

Fotografie červených lokomotiv s charakteristickým oblým čelem se staly nepostradatelnou součástí kalendářů vydávaných pro obdivovatele železnic. Celkový proběh lokomotiv řad 1016 a1116 již dosahuje přibližně 120 000 000 km.

Úspěch těchto lokomotiv na sklonově náročných tratích v Rakousku vedl i DB, MÁV a GySEV k nákupu prakticky shodných vozidel řad 182, 1047.0 a 1047.5.

Setkání lokomotiv 1116 ÖBB, 1047 MÁV a 1047.5 GySEV v Budapešti foto Sándor Csanádi
Lokomotiva 182.002 DB foto Christoph Schmitz Stroj 182.009 DB s reklamou DHL foto Andreas Nessel

Šedesát dvousystémových lokomotiv typu ES 64 U2 je zařazeno do šedožluté flotily společnosti Siemens Dispolok, ze které si je na delší či kratší období pronajímají mnozí evropští dopravci k zabezpečování nejrůznějších dopravních služeb. Tato nabídka umožňuje všem dopravcům, státním dráhám i privátním společnostem prakticky ihned a bez nároků na prvotní kapitál, získat pro naplňování svých záměrů moderní, vysoce výkonné, mimořádně spolehlivé a v řadě evropských zemí homologované lokomotivy a postupně je splácet z tržeb za jimi uskutečňované přepravy. Lokomotivy ES 64 U2 se v provozu jeví jako velmi spolehlivé a s minimálními nároky na údržbu, jejich disponibilita dosahuje hodnoty cca 97 %.

Lokomotiva ES 64 U2–021 nájemce WLB foto Sebastian Schrader Stroj ES 64 U2–037 nájemce Lokomotion foto Frank Weimer
Druhý krok: Eurosprinter ES 64 F4 (BR 189 DB)

Úmysl dopravních odborníků z orgánů Evropské unie je jasný: převést dálkovou nákladní dopravu z přetížených silnic na kapacitně nevyužité železnice. Pomůže se tím jak silnicím a dálnicím, které těžká vozidla poškozují a na kterých brání plynulosti a bezpečnosti provozu, tak i železnicím, které potřebují více dopravních výkonů pro rozložení svých nemalých fixních nákladů. Avšak na rozdíl od automobilů, lodí a letadel, které mohou po Evropě volně jezdit, plout a létat, u trakčních železničních vozidel tomu tak není. Mezi jednotlivými evropskými státy existuje mnoho technických bariér, které dokonalému propojení evropských železnic zabraňují, a to i na tratích s normálním rozchodem 1 435 mm.

Je realitou, že evropská železniční síť není z technického hlediska volně průjezdná. Politická vůle, aby vlaky libovolných dopravců mohly napříč Evropou volně projíždět, je již v současnosti kodifikována v zákonech členských zemí Evropské unie. Její praktické uskutečňování je však silně komplikováno technickou nejednotností. Mnohaletá koordinace technické jednotnosti evropských železnic organizací UIC bohužel nevedla k úspěšnému cíli, zájmy jednotlivých států a lokálních výrobců byly po mnoho desetiletí silnější než snaha o vytvoření skutečné evropské železnice.

Iniciativu proto převzali bruselští zákonodárci. Nástrojem k oživení železniční dopravy v Evropě je interoperabilita, neboli vzájemná propojitelnost evropských železnic. Ta však představuje dlouhodobý proces, neboť přebudování železniční infrastruktury na jednotné provedení je otázkou mnoha let a v řadě případů je i ekonomicky nereálné. Proto byla společnosti Siemens vyvinuta panevropská elektrická lokomotiva Eurosprinter ES 64 F 4, respektující současnou nejednotnost evropské železniční infrastruktury.

V prvé řadě je pro tuto lokomotivu typické, že může být napájena ze čtyř různých evropských elektrizačních systémů: 1,5 kV (Francie-jih, Nizozemí), 3 kV (Belgie, Itálie, Česko-sever, Slovensko-sever, Polsko), 15 kV 16,7 Hz (Švýcarsko, Německo, Rakousko, Norsko, Švédsko) a 25 kV 50 Hz (Francie-sever, Lucenbursko, Dánsko, Maďarsko, Bulharsko, Rumunsko, ...). Ale to by samo o sobě nestačilo. Každá zem představuje ve vybavení lokomotivy určitý národní balíček, tvořený zejména souborem místních zabezpečovacích a sdělovacích zařízení. Odlišnost infrastruktury vede i k tomu, že drážní vozidla včetně lokomotiv musí být v každé zemi zvlášť schválena místními drážními úřady.

Lokomotiva 189.023 Railion

Prvořadým posláním lokomotiv typu Eurosprinter ES 64 F4 je umožnit železnicím nabídnout svým přepravcům rychlou mezistátní nákladní dopravu ve vysoké kvalitě, s garantovanými termíny a přitom cenově dostupnou. Desetitisíce kamionů denně komplikujících provoz po silnicích a dálnicích v celé Evropě dokládá, jak velký potenciál tento přepravní trh představuje a jaká je společenská potřebnost a užitečnost záměru převedení této zátěže ze silnic na železnice. Postupné zavádění silničního mýta a očekávané výrazné a trvalé zvýšení cen pohonných hmot v důsledku disproporcí mezi spotřebou a těžbou ropy vytvářejí pro železnice velmi výraznou příležitost. Na tu je potřeba se připravit novými vozidly – moderními, vysoce výkonnými, spolehlivými, údržbově nenáročnými, s nízkou spotřebou elektrické energie a schopných mezinárodního nasazení. Tato strategie vedla DB (nyní Railion) k nákupu 100 čtyřsystémových lokomotiv řady 189. Jejich parametry, tedy výkon 6 400 kW a maximální rychlost 140 km/h je předurčují zejména do rychlé dálkové nákladní dopravy, ale na tratích s četnými oblouky a tedy s dovolenou rychlostí do 140 km/h mohou pochopitelně sloužit i v dopravě vlaků osobní přepravy.

Díky individuálnímu řízení IGBT pulsních napěťových střídačů pro napájení asynchronních trakčních motorů dosahují tyto lokomotivy velmi dobrých adhezních vlastností. Proto disponují rozjezdovou tažnou silou 300 kN a trvalou tažnou silou 270 kN, což jsou hodnoty dosud obvyklé jen u šestinápravových, nikoliv u čtyřnápravových lokomotiv. Pozitivní vliv náhrady šestinápravových lokomotiv čtyřnápravovými na míru opotřebení tratí í vozidel je jednoznačný. Maximální rychlost 140 km/h umožňuje s výhodou použít některá jednoduchá řešení, pozitivně ovlivňující cenu a hmotnost lokomotiv, jako například podvozky s tlapovými trakčními motory a s brzdovými kotouči v discích kol, nebo jednodušší tvar čela s rovinnými okny.

Kromě Německé železnice si lokomotivy ES 64 F4 pořídily i dráhy švýcarské (řada Re 474 SBB) a 30 jich je zařazeno do Siemens – Dispoloku, odkud si je pronajímají mnohé evropské železnice či privátní dopravci k plnění svých podnikatelských záměrů na poli transevropských přeprav.

Lokomotiva ES 64 F4–002 foto Stephan R. Schilling
Třetí krok: Eurosprinter ES 64 U4 (Rh 1216 ÖBB)

Aplikace výše uvedených myšlenek a principů panevropského provozu i v oboru rychlé osobní dopravy vedla vedení ÖBB k zájmu o nákup lokomotivy řady ES 64 U4, tedy řady 1216 ÖBB. Ve svých hlavních komponentech v podstatě vycházejí z lokomotiv řady 1016 a 1116 ÖBB (podvozky, čela) a z lokomotiv řady 189 DB (čtyřsystémová elektrická výzbroj) ale přináší i mnohá další nová řešení.

Lokomotivy ES 64 U4 (Rh 1216 ÖBB) jsou, podobně jako předchozí typy ES 64 U1 (Rh 1016 ÖBB) a ES 64 U 2 (Rh 1116 ÖBB), řešeny jako univerzální, tedy disponující nejen vysokými tažnými silami (300 kN), ale i vysokými maximálními rychlostmi (200 až 230 km/h). Segment přepravního trhu, na který směřují, je proto vedle již uvedené transevropské nákladní dopravy dálková mezistátní doprava osobní.

Lokomotiva 1216.002 ÖBB na letošním ročníku veletrhu Czech Raildays

Situace v mezistátní přepravě osob se mění. Dopravu na vysokorychlostních tratích a intervalovou dopravu všeobecně přejímají ucelené jednotky. Avšak též pro lokomotivy se ve spojení s klimatizovanými vozy a případně i řídícími vozy se rýsují nové příležitosti. Tou je doprava na konvenčních tratích (tedy rychlostí do 200 km/h včetně) na střední vzdálenosti (v podstatě mezi sousedními státy) v úsecích s velmi silným zájmem o přepravu, například na spojnicích hlavních měst. Dalším atraktivním přepravním trhem jsou noční ubytovací spoje, pojízdné hotely k vytvoření nočního skoku. Moderní pohodlné a bezpečné lůžkové vozy s vysokou úrovní kultury cestování i ubytovacích služeb (včetně individuálních WC a sprch) v sobě slučují dvojici služeb, souvisejících s v Evropě velmi běžnými pracovními nebo soukromými cestami: přepravu a přenocování. Pochopitelně jsou zaměřeny směrem k zámožnější klientele a proto musí prvotřídní kvalitu a spolehlivost.

ÖBB si místo posledních 68 lokomotiv řad 1016/1116 ze čtyřsetkusové série objednaly 50 lokomotiv řady 1216 s opcí na dodání dalších 18, tři prototypy převzaly ve výrobním závodě Siemens Transportation Systems – Locomotives v Mnichově dne 31.3.2005. Z hlediska vybavení nejsou tyto tři prototypy navzájem shodné, každý z nich reprezentuje jednu z variant, ve kterých mají být lokomotivy 1216 Rakouským spolkovým dráhám dodávány:

  • 1216.001 – provedení A (pro provoz v Rakousku, Německu a Itálii), v tomto provedení je objednáno 25 vozidel z 50,
  • 1216.002 – provedení C (pro provoz v Rakousku, Německu Česku a Slovensku), v tomto provedení je objednáno 15 vozidel z 50,
  • 1216.003 – provedení B (pro provoz v Rakousku, Německu a Slovinsku), v tomto provedení je objednáno 10 vozidel z 50.

Dodávky sériových lokomotiv 1216 mají proběhnout v letech 2006 až 2007. Obdobné lokomotivy, označené řadou 541 SŽ, si v počtu dvaceti vozidel objednaly Slovinské železnice, dodány mají být v letech 2006 až 2008.

Technický popis lokomotivy ES 64 U4

Elektrická lokomotiva ES 64 U4 je skříňová s dvěma čelními kabinami strojvedoucího. Skříň lokomotivy je samonosná a je tvořena spodním rámem a bočnicemi, střecha je demontovatelná a rozdělená na jednotlivé segmenty. Střešní segmenty nesou 4 polopantografové sběrače proudu a další vysokonapěťové komponenty (odpojovače, zkratovače, AC hlavní vypínač. Vozidlo je na čelech opatřeno nárazníky třídy C s absorbční schopností 70 kN, pro pohlcení ještě větší nárazové energie jsou za nárazníky umístěny výměnné deformační prvky, díky kterým je lokomotiva schopna bez dalšího poškození pojmout nárazovou energii 1 MJ.

Strojovnou lokomotivy prochází v podélné ose situovaná ulička, podél které jsou rozmístěna jednotlivá zařízení – trakční a pomocné měniče, ventilátory pro chlazení trakčních motorů, jednotky kapalinového chlazení měničů a transformátoru, brzdové odporníky, pneumatická zařízení, akumulátorová baterie a vlakové zabezpečovače. Pod průchozí uličkou jsou umístěny kabelová vedení a potrubní rozvody. Uprostřed je pod lokomotivou umístěn transformátor. Kabiny strojvedoucího jsou prostorné, klimatizované a jsou z obou stran opatřeny vnějšími dveřmi. Z důvodu jízdy vyššími rychlostmi jsou provedeny jako tlakotěsné a jsou vybaveny tlakovou ochranu, která zamezuje působení tlakových vln na strojvedoucího, zejména při míjení vlaků či při vjezdu do tunelu.

Skříň lokomotivy spočívá prostřednictvím dvojic paralelně řazených válcových šroubových flexicoil pružin na dvounápravových podvozcích, podélné síly jsou přenášeny tažným čepem. Dvojkolí jsou vedena ojničkami, primární vypružení zajišťují ocelové šroubové pružiny. Individuální pohon dvojkolí zajišťují asynchronní trakční motory s cizí ventilací a to prostřednictvím jednostupňového čelního ozubeného převodu se šikmými zuby a dutého hřídele, obepínajícího nápravu. Jeho unášeče jsou s ozubeným kolem i s diskem dvojkolí propojeny ojničkovou spojkou.

Pro snížení dynamických silových účinků vozidla na trať jsou zásadním způsobem minimalizovány neodpružené hmoty. Dvojkolí je opatřeno koly o průměru pouze 1 150 mm a brzdové kotouče nejsou instalovány ani na nápravě, ani v discích kol, ale jsou uloženy na samostatném odpruženém brzdovém hřídeli, který je poháněn od nápravové převodovky. Rychloběžnost tohoto hřídele též minimalizuje rozměry brzdových jednotek, přesná vzájemná poloha brzdových kotoučů a brzdových jednotek je přispívá k jejich dlouhodobé životnosti. Čelní ozubený převod pohonu dvojkolí je z důvodu zajištění přesné geometrie záběru kol, která je základem jejich minimálního opotřebení, řešen s uložením pastorku z přední strany v ložisku ve štítu převodové skříně.

Základem elektrické výzbroje lokomotivy jsou dva komplety vodou chlazených IGBT měničů, každý přísluší jednomu podvozku a obsahuje dva vstupní čtyřkvadrantové měniče, paralelně napájející společný stejnosměrný meziobvod, dva pulsní napěťové střídače (každý z nich je opatřen podpůrným vstupním kondenzátorem a napájí jeden trakční motor), dva pulsní spínače brzdových odporníků a jeden střídač pro napájení pomocných pohonů, též opatřený podpůrným vstupním kondenzátorem. Na měnič pro napájení pomocných pohonů navazuje oddělovací transformátor. Ke stejnosměrnému meziobvodu je dále připojen odsávací LC obvod naladěný na 33 respektive 100 Hz, který slouží na systému 15 kV 16,7 Hz, respektive 25 kV 50 Hz k eliminaci druhé harmonické vlny, která vzniká dvoucestným usměrněním vstupního napětí.

Při práci v AC sítích vstupuje elektrická energie do vozidla se sběračů přes hlavní vypínač s vakuovým zhášedlem do trakčního transformátoru. Ten má jedno primární vinutí a čtyři shodná trakční sekundární vinutí s pevným převodem, ale s odbočkou pro volbu napěťového sytému 15 nebo 25 kV. Páté sekundární vinutí transformátoru slouží k napájení průběžného vedení vlakového topení. Toto vinutí má volitelné odbočky pro napětí 1 000, 1 500 a 3 000 V.

Při práci v DC sítích nejsou čtyřkvadrantové měniče ve funkci, elektrická energie vstupuje do vozidla přes ve strojovně umístěný hlavní vypínač a síťový filtr, ve kterém je kromě kondenzátoru a tlumivky z odsávacího obvodu též využito jako indukčnost sekundární vinutí trakčního transformátoru. Díky použití vysokonapěťových IGBT spínacích modulů je napájení pulsních střídačů i na systému 3 kV přímé (dvoubodové), dříve používané vstupní snižovací měniče či dvojice střídačů napájejících dvojité statorové vinutí trakčního motoru nejsou aplikovány, což přispělo ke zvýšení spolehlivosti a ke snížení ztrát. Při napájecím napětí 3 kV jsou statorová vinutí trakčních motorů, stejně jako při práci v sítích 15 a 25 kV, zapojena do hvězdy, při napájecím napětí 1,5 kV jsou pro částečnou kompenzaci poklesu napětí zapojena do trojúhelníku. Konfigurace měničů, doplněná přepojovači, umožňuje v případě poruchy vadný díl odpojit a vozidlo nadále disponuje až 75 % výkonu a tažných sil.

V sítích, ve kterých je to možné, pracuje elektrodynamická brzda zásadně jako rekuperační a veškerá trakčními motory dodávaná elektrická energie je prioritně dodávána do sítě, respektive vedlejším spotřebičům na lokomotivě (pomocné pohony, vedení vlakového topení) a brzdové odporníky jsou svými pulsními spínači aktivovány jen v případě potřeby. V sítích s nemožnou nebo omezenou schopností odebírat vozidlem nabízenou rekuperovanou energii odebírají brzdovou energii vedlejší spotřebiče a brzdové odporníky. Ty jsou umístěny ve strojovně ve stojanu a jsou axiálně profukovány ventilátorem.

Jednotlivé měniče jsou složeny z univerzálně použitelných fázových modulů, které obsahují kromě vlastních vodou chlazených IGBT spínacích prvků i veškerá další k nim náležící příslušenství. Součástí každého kompletu měničů je i jeden střídač pro napájení pomocných pohonů, na který navazuje oddělovací transformátor. Na lokomotivě jsou tedy dvě střídavé pomocné sítě. Jedna pracuje stálou frekvencí a stálým napětím (3 x 440 V, 60 Hz) a napájí asynchronní elektromotory pro pohon zařízení, jejichž funkce nezávisí na trakčním výkonu lokomotivy (kompresor pro zásobování stlačeným vzduchem, oběhová čerpadla v systémech vodního a olejového chlazení, klimatizační jednotky, …) a měnič s výstupním stejnosměrným napětím 110 V pro napájení řídících obvodů a pro nabíjení pomocné baterie. Druhá střídavá pomocná síť napájí asynchronní elektromotory pohánějící ventilátory pro chlazení trakčních motorů a ventilátory výměníků olej/vzduch a voda/vzduch pro chlazení transformátoru a polovodičových měničů. Tato síť pracuje s proměnnou frekvencí 2 až 60 Hz a s proměnným napětím 0 až 440 V. Frekvence a napětí této sítě jsou řízeny v závislosti na teplotě chlazených zařízení, která je úměrná teplotě okolí a zatížení lokomotivy. Tím je výrazně snížena energetická náročnost pomocných zařízení i hlučnost lokomotivy. V případě poruchy lze obě sítě propojit a vybrané spotřebiče napájet z jediného měniče.

Lokomotiva je vybavena dvojicí centrálních řídících počítačů vozidla (ZSG), vždy jeden z nich pracuje jako hlavní a vykonává řídící funkce, druhý počítač je podřízený prvému, je ve stavu pohotovosti a je schopný převzít jeho funkci. Každý trakční pohon je řízen svým řídícím počítačem pohonu (ASG). Komunikace uvnitř lokomotivy, tedy mezi řídícími počítači vozidla, pohonu, brzd a mezi komunikačními displeji na stanovištích strojvedoucího a dalšími zařízení probíhá po datové sběrnici MVB. Ke komunikaci na úrovni vlaku, tedy například pro vícečlenné řízení nebo pro ovládání lokomotivy z řídícího vozu je využívána datová sběrnice WTB. Řídící systém je koncipován na bázi komponent Sibas 32. Lokomotiva je též vybavena záznamovým tachografem (Juridical Recoder), součástí řídícího systému vozidla je i zařízení pro kontrolu bdělosti strojvedoucího Sifa.

Z mnoha důvodů (podstatně vyšší funkčnost a spolehlivost, prostorová nenáročnost, variabilnost) byla velká část sdělovačů a ovladačů na stanovišti strojvedoucího nahrazena dvojicí velkých (úhlopříčka 19´´) barevných dotykových monitorů (Touch-Scren) – PDT (Primary/Driving Terminal) a ODT (Opration/Diagnostic Terminal). Tyto monitory mají možnost pracovat ve více režimech. Monitor PDT je v základním stavu využíván v režimu multifunkčního zobrazení MFA a poskytuje strojvedoucímu informace o rychlosti jízdy, o velikosti tažné nebo brzdné síly, o celkovém stavu lokomotivy a zároveň spolupracuje s vlakovým zabezpečovačem – zobrazuje návěstní znaky a zábrzdnou dráhu. Monitor ODT je v základním stavu využíván v režimu BuB (ovládání a sledování), ve kterém se zobrazují informace o stavu a funkci jednotlivých agregátů vozidla (síťové napětí, síťový proud, tlaky vzduchu v hlavním vzduchojemu, v hlavním potrubí samočinné brzdy a v brzdových válcích, tažné a brzdné síly jednotlivých dvojkolí, činnost pomocných pohonů, …). Na tomto monitoru jsou též v různých úrovních zobrazovány diagnostické údaje a pokyny k obsluze vozidla v poruchových situacích a v případě vícečlenného provozu i údaje o dalších vozidlech.

Zdrojem stlačeného vzduchu je šroubový kompresor. Samočinná brzda je řízena řídícím počítačem brzd, přímočinná brzda je elektropneumatická. Použita je elektronická protismyková ochrana K-micro. Lokomotiva generuje signály pro ovládání elektropneumatické brzdy vozů. Na všechny čtyři dvojkolí působí zajišťovací brzda s pružinovými střadači.

Vozidlo lze řídit buď ovládáním tažné a brzdné síly, nebo volbou žádané rychlosti, kterou udržuje zařízení pro automatickou regulaci rychlosti AFB.

Modulární pojetí lokomotiv ES 64 U4

Je realitou, že železniční vozidla nejsou vyráběna a provozována v tak početných sériích, jako vozidla silniční. S tím spojené zvýšené výrobní i provozní náklady a další komplikace znevýhodňují železniční dopravu vůči konkurenčním druhům doprav. Ekonomickou nutností je hledat a nacházet řešení vedoucí ke splnění dvou protichůdných požadavků:

  • technickým provedením vozidla vyhovět individuálním požadavkům jednotlivých provozovatelů železniční dopravy,
  • ve vývojových pracích, ve výrobní technologii a logistice, v procesu zkoušek a homologace i v každodenním provozu a údržby vozidel efektivně využívat všechny výhody hromadnosti a jednotnosti.

Ke splnění tohoto cíle byly definovány tři základní skupiny parametrů a vlastností lokomotiv ES 64 E4 (Eurposprinter, trakční výkon 6400 kW, univerzální provedení, 4 napěťové systémy):

  • stálé prvky a principy, všeobecně platné a jednotné pro všechny modifikace,
  • prvky a principy, vázané na existující infrastrukturu a zákony jednotlivých zemí ve kterých má být lokomotiva provozována,
  • prvky a principy, specifické k danému provoznímu určení, respektive k danému provozovateli.

Prvky a principy prvé skupiny jsou jednotně zahrnuty do základního typu (platformy), prvky a principy druhé skupiny jsou obsahem národního provedení COP (Country packages) a prvky a principy třetí skupiny jsou obsahem zákaznického provedení cup (Costumer packages). Z důvodu funkčních návazností a nekonfliktní prostorové dispozice jsou nejžádanější prvky CPO a cup již předem vyprojektovány a zkonstruovány.

Tato modularita vede nejen k vytvoření lokomotiv odpovídajících potřebám provozu při využití osvědčených komponent, nízké ceně a krátkých dodacích lhůtách, ale z dlouhodobého hlediska i k bezproblémovému zajištění náhradních dílů a oprav. Potenciální zákazník má navíc možnost si svoji lokomotivu z nabídnutého menu sám sestavit.

COP (národní provedení)

Národní provedení zajišťuje provozovatelnost a homologovatelnost lokomotivy v jednotlivých zemích. V podstatě je tedy dáno infrastrukturou železničních tratí v příslušné zemi a charakterizuje ji zejména:

  • napájecí systém,
  • uspořádání sběračů,
  • vlakový zabezpečovač,
  • radiostanice,
  • jazyk textů na displeji,
  • označení vozidla,
  • přídavné vybavení podle národních předpisů.

Tato národní provedení jsou v současnosti připravena pro provoz v 11 zemích:

  • Rakousko (COP-A)
  • Švýcarsko (COP-CH)
  • Česká republika (COP-CZ)
  • Německo (COP-D)
  • Chorvatsko (COP-HZ)
  • Maďarsko (COP-H)
  • Itálie (COP-I)
  • Holandsko (COP-NL)
  • Polsko (COP-P)
  • Slovensko (COP-SK)
  • Slovinsko (COP-SLO)

Lokomotivy ES 64 U 4 lze podle potřeb provozovatele vybavit několika národními provedeními, zatím byly vytvořeny následující kombinace:

  • ES 64 U4-A: A, D, I, SLO
  • ES 64 U4-B: A, D, SLO
  • ES 64 U4-C: A, CZ, D, SK
  • ES 64 U4-E: A, CH, D, I
  • ES 64 U4-F: A, D, HR, H, I, SLO

cup (zákaznická provedení)

Variabilnost zákaznických provedení je v podstatě neomezená. Avšak s výhodou lze využít již předdefinovaná zákaznická provedení, která jsou rozdělena do 13 skupin, odpovídajících členění vozidla do konstrukčních skupin podle DIN 25 002:

  • lakování a označení (cup-ADE) – dvoubarevné, tříbarevné,...,
  • kabina strojvedoucího (cup-DA) – stanoviště vpravo, vlevo, uprostřed, vybavení rádiem, držákem mobilního telefonu, faxem,...,
  • sanitární zařízení (cup-FBS) – umyvadlo, chemické WC,...,
  • sběrač (cup-FBS) – napětí 1,5 kV, 3 kV a 15/25 kV, šířka lišty 1 450 mm, 1 600 mm, 1 950 mm, částečně nebo plně izolované náběhové nástavce,
  • ochrana lišty, zvýšení přítlaku při námraze, omezení výšky zdvihu, metalizované nebo měděné obložení,...,
  • energetické vybavení (cup-FDS) – seřízení trakčního výkonu, výkon brzdového odporníku,...,
  • vnější napájení (cup-HAH) – jednostranně či oboustranně 3 AC 400 V pro DC i AC palubní sítě,...,
  • akumulátorová baterie (cup-HCB) – olověná nebo niklo-kadmiová, kapacita 70 až 115 Ah,...,
  • napájení vlakového topení (cup-HD) – 1 000 V, 1 500 V, 3 000 V,...,
  • dálkový přenos dat (cup-JED) – GPS, spotřeba energie,...,
  • dálkové řízení (cup-JEF) – posun, postrk,...,
  • vícenásobné řízení (cup-JEM) – sběrnice WTB, systém TMC (ZMS/ZWS/ZDS),...,
  • radiostanice (cup-JFZ) – Kapsch, EADS, Hörmann,...,
  • dodatečná výbava brzdy (cup-RAK) – ep brzda UIC 541–5, ep brzda DB, blending,...

Jak z výčtu zákaznických provedení cup vyplývá, je modifikovatelnost standardního provedení již připravenými (předdefinovanými) zákaznickými provedeními značně rozmanitá.

Technické parametry lokomotivy ES 64 E4
Rozchod 1 435 mm
Obrys UIC 505–1
Rozsah teplot okolí -25 až +40 °C
Napájecí napětí 1,5 kV
3 kV
15 kV 16,7 Hz
25 kV 50 Hz
Uspořádání pojezdu Bo´Bo´
Minimální poloměr oblouku 90 m
Hmotnost 87 t
Délka přes nárazníky 19 580 mm
Vzdálenost otočných bodů podvozků 9 900 mm
Rozvor povozku 3 000 mm
Jmenovitý průměr dvojkolí 1 150 mm
Maximální rychlost 230 km/h
Trvalý výkon v režimu jízdy 6 400 kW (15, 25 kV)
6 000 kW (3 kV)
3 000 kW (1,5 kV)
Trvalý výkon rekuperační elektrodynamické brzdy 6 400 kW (15, 25 kV)
6 000 kW (3 kV)
4 200 kW (1,5 kV)
Trvalý výkon odporové elektrodynamické brzdy 2 000 kW (3 kV)
3 000 kW (1,5 kV)
Maximální tažná síla 300 kN
Maximální brzdná síla 240 kN
Dodatek 1: Čtyři systémy

V souvislosti s moderními elektrickými lokomotivami Eurosprinter ES 64 F4 a ES 64 U4, schopných jezdit po tratích, elektrizovaných libovolným ze čtyř v Evropě používaných systémů (1,5 kV, 3 kV, 15 kV 16,7 Hz a 25 kV 50 Hz), je dobré připomenout, jak vlastně v Evropě tato různorodost vznikla.

Počátky

Prvopočáteční elektrický provoz na železnicích navázal na sklonku 19. století na v té době po celém světě intenzivně zřizované tramvajové městské elektrické dráhy. I na prvých pokusných elektrických železnicích bylo používáno nepříliš vysoké stejnosměrné napětí, zpočátku kolem 500 V, záhy nato kolem 1 000 V. Na rozdíl od měst, kde se dodnes v podobě systémů 600 V a 750 V zachovalo stejnosměrné napájení s nevysokým napětím dodnes, se u železnic velmi brzy projevily jeho limity a nevýhody: nízký výkon a malé vzdálenosti měníren.

Snaha použít na vozidlech jednoduché robustní asynchronní motory vedla již na přelomu 19. a 20. století k elektrizaci železnic třífázovým systémem. Dvoustopé trakční vedení a v té době obtížně regulované asynchronní trakční motory byly slabinami, které vedly k opuštění tohoto stylu. Přesto však elektrizace 112 km dlouhé dráhy v údolí Valtelina v roce 1902, či jízdy rychlostí 210 km/h v roce 1903 na zkušební trati poblíž Berlína, dokládají kreativitu tehdejších průkopníků elektrické trakce.

Pozornost byla proto upřena k jednofázovým systémům. Střídavé napájecí napětí v úrovni zhruba 10 kV umožňovalo tratě racionálním způsobem elektrizovat (lehké trakční vedení, velká vzdálenost napájecích bodů), jeho transformace na lokomotivě na nižší úroveň též byla snadná, ale slabinou byl trakční motor. Třífázový indukční vyžadoval rozměrné rotační měniče a jednofázový komutátorový byl provozně nezpůsobilý, neboť jej provázelo silné jiskření na komutátoru a sním související napalování lamel komutátoru a rychlé opotřebení uhlíkových kartáčů.

Příčinou, proč komutátorový motor komutuje podstatně hůř při střídavém napájení, než při stejnosměrném, je transformační napětí, které se v kotvě indukuje od časově proměnného pole hlavních pólů. Usměrňovat na lokomotivě střídavý proud na stejnosměrný nebylo v té době snadné, byla k tomu potřeba těžká a rozměrná rotační soustrojí (motorgenerátory). Proto byl kmitočet střídavého napájecího napětí snížen. V Evropě z obvyklých 50 Hz na jednu třetinu, tedy na 16 2/3 Hz. Celočíselný poměr (3) byl zvolen z důvodu realizace rotační konvertorů a to na bázi šestipólového synchronního motoru a dvoupólového alternátoru. Snížení kmitočtu na jednu třetinu se ukázalo jako rozumným kompromisem mezi zvětšením rozměru transformátorů, ke kterému pochopitelně došlo a zlepšenou komutací trakčních motorů, o kterou bylo tolik usilováno. Nižší kmitočet se též příznivě projevil ve snížení impedance trakčního vedení a spolu s použitím dostatečně vysokého napětí napomohl ke snížení počtu napájecích stanic, neboť ty jsou díky poměrně malým úbytkům napětí schopny napájet poměrně dlouhé úseky.

Snížením kmitočtu a zavedením fázově posunutých pomocných pólů komutátorových trakčních motorů se již v prvé dekádě dvacátého století podařilo dovést jednofázový systém do úspěšného stavu technické použitelnosti a některé železnice jím začaly své tratě elektrizovat.

Evropská rozmanitost

Na více místech železniční sítě se rozvíjející elektrizace vyvolala potřebu jednotnosti. Prvá dohoda, stanovící jednotnou úroveň napájecího napětí, kmitočtu a výšky trolejového drátu nad temenem kolejnice vznikla v Evropě již v roce 1912, ale akceptovaly ji jen Švýcarsko, Německo, Rakousko, Švédsko a Norsko.

Důvodů jejího nepřijetí dalšími evropskými státy bylo několik. Kromě snah neopouštět jiné systémy, kterými již na přelomu 19. a 20. století některé státní dráhy či železniční společnosti elektrizaci svých tratí zahájily, šlo zejména o zájmy vojenskopolitické. Zejména v důsledku prvé světové války došlo k rozdělení Evropy do bloků navzájem nepřátelských států, kterému byly celoevropské technické a hospodářské cíle cizí.

Mnohé unikátní v počátcích elektrizace železnic používané napěťové soustavy, například systémy využívající dvoustopé trakční vedení (při stejnosměrném či při střídavém třífázovém napájení) sice zanikly, ale rozvoj rtuťových usměrňovačů, nahrazujících ve dvacátých letech minulého století původně používané rotační konvertory, podpořil popularitu stejnosměrných systémů o vyšším napětí.

Francie se v roce 1920 rozhodla pro stejnosměrný systém 1 500 V a Itálie opustila počáteční trend třífázové elektrizace a přijala v roce 1927 rozhodnutí zavést na svém území jednotně stejnosměrný systém 3 000 V. Nejen technické důvody, ale i politické vlivy vedly v období mezi dvěma světovými válkami k rozšíření stejnosměrných systémů do dalších zemí. Svéráznou cestou elektrizace tratí systémem 16 kV 50 Hz a použitím lokomotiv s rotačními měniči se vydalo Maďarsko.

Stejnosměrný systém 1 500 V, převzatý i prvorepublikovými ČSD, ale (naštěstí) v Československu nerozvinutý, se již záhy po svém zavedení ukázal jako velmi nákladný a výkonově omezený a proto jej Francie v padesátých letech minulého století doplnila jednofázovým systémem využívající průmyslový kmitočet 25 kV 50 Hz. Ten se stal v pořadí již čtvrtým z hromadně rozšířených systémů elektrizace železnic a v šedesátých letech jej převzaly nejen státy teprve v té době zahajující elektrizaci svých železnic, ale i některé státy (zejména Sovětský svaz a Československo), již rozsáhle provozující systém 3 000 V.

Dědictví

Tak se stalo, že v období parní trakce v podstatě propojitelnou evropskou železniční síť rozdělila v průběhu dvacátého století elektrizace železničních tratí na několik vzájemně obtížně slučitelných území, vyznačující se napětími 1,5 kV, 3 kV, 15 kV a 25 kV. Kromě potíží v mezistátní dopravě si několik evropských zemí, včetně bývalé Československé socialistické republiky, zkomplikovalo dvojicí napěťových soustav i svůj vnitrostátní provoz.

Jiné evropské státy důsledně elektrizovaly svoji železniční síť jediným systémem, byť se již třeba na základě nových poznatků a možností jevil v průběhu dalších let jako nemoderní. Provozní výhodnost jednotného elektrizačního systému shledaly důležitější, než dílčí výhody systému, který by byl zaveden jako druhý. Vzájemné výhody a nevýhody a tedy i pomyslné pořadí výhodnosti jednotlivých elektrizačních systémů se navíc v průběhu dvacátého století s vývojem techniky postupně měnily.

Polovodičová technika

Pořadí hodnocení výhodnosti jednotlivých elektrizačních systémů silně ovlivnil zejména nástup a rozvoj polovodičové techniky. Její první aplikace, kterou byly diodové usměrňovače, pozitivně ovlivnila a v podstatě umožnila výrobu jednofázových lokomotiv využívající průmyslový kmitočet 50 Hz a stejnosměrné trakční motory, neboť předchozí řešení, tedy na bázi vybaveni lokomotiv rtuťovými usměrňovači nebyla v provozu náležitě spolehlivá a rotační měniče typu Ward-Leonard byly příliš těžké.

Zároveň však též polovodičové diody výrazně zjednodušily provedení a zhospodárnily provoz měníren napájejících stejnosměrné dráhy, které v původním provedení se rtuťovými čerpanými usměrňovači představovaly rozlehlý objekt na velkém pozemku s několika muži v trvalé službě.

Přechod od neřízených polovodičových usměrňovačů k řízeným, tedy v té době od diod k tyristorům, výrazně pomohl stejnosměrným lokomotivám, neboť technika pulsních měničů umožnila odstranit ztrátové řízení rozjezdu pomocí odporníků a opotřebení podléhajících stykačů.

Soudobá vozidla

Ale to vše již je minulostí. Další pokrok v oblasti výkonové i řídící elektroniky vedl k odklonu od používání stejnosměrných i střídavých komutátorových trakčních motorů. Komutátor, v podstatě do elektromotoru vestavěný mechanický střídač, byl z trakčního motoru vyjmut a nahrazen vně umístěným polovodičovým statickým měničem, napájejícím proměnným napětím a proměnnou frekvencí třífázový elektromotor – zpravidla asynchronní s kotvou nakrátko, ale v některých případech i synchronní, například s rotorem buzeným permanentními magnety. Vlivem podstatně vyšší odolnosti vůči provozním vlivům (znečistění, rázy, přetížení, …), lepším regulačním možnostem, vyšším výkonovým parametrům a nižším rozměrům i hmotnosti bezkomutátorových třífázových motorů, využívající točivé magnetické pole, opouštějí po sto letech poctivé služby komutátorové trakční motory obor elektrické trakce.

V celé šíři tohoto oboru, tedy od elektromobilů, přes trolejbusy, tramvaje a metro až po dieselelektrické či elektrické lokomotivy, trakční vozy a jednotky jsou nyní jednotně požívány střídavé třífázové trakční motory napájené z polovodičových měničů. Jiná vozidla již prakticky nejsou vyráběna. Devadesátých letech minulého století působil tento trend v západní Evropě, nyní již se rozšířil v podstatě celosvětově.

Všechna vozidla elektrické trakce se tak v podstatě stala stejnými, využívají strukturu definovanou před třiceti lety tvůrcem moderních lokomotiv se třífázovými trakčními motory Wernerem Teichem:

  • vstupní obvod, tj.:
    • sběrač a LC filtr u elektrických vozidel se stejnosměrným napájením z trakčního vedení (trolej nebo přívodní kolejnice),
    • sběrač, transformátor, čtyřkvadrantový měnič a LC filtr u elektrických vozidel se střídavým napájením z trakčního vedení (trolej),
    • alternátor s usměrňovačem u vozidel dieselelektrických,
    • nic u vozidel akumulátorových,
  • trakční pohon, tj.:
    • pulsní napěťový střídač s podpůrným kondenzátorem stejnosměrného meziobvodu,
    • třífázové trakční motory,
    • pulsní spínač a brzdový odporník nebo brzdový kondenzátor (u vozidel, kde nelze veškerou brzdovou energii rekuperovat),
  • pomocné pohony, tj.:
    • primární měnič, zajišťující galvanické oddělení od napájecího systému (je-li potřebné),
    • sekundární měniče, zajišťujících napájení jednotlivých pomocných elektromotorů proměnnou frekvencí, respektive napájení stejnosměrné pomocné sítě a pomocné baterie,
    • třífázové pomocné motory.

Použitá trakční napěťová soustava 1,5 kV, 3 kV, 15 kV 16,7 Hz respektive 25 kV 50 Hz má proto na strukturu technického řešení elektrických vozidel vliv zcela nepatrný. V podstatě jde o jen o to, zda vozidla mají či nemají transformátor a čtyřkvadrantový vstupní měnič, všechny jejich ostatní části elektrické výzbroje a celá mechanická část vozidel jsou v podstatě u všech napěťových soustav stejné.

Ale to je jen jeden úhel pohledu. Z pohledu širších souvislostí, tedy s uvážením spolupráce vozidel s napájecí sítí již určité rozdíly mezi jednotlivými v Evropě na železnicích používanými napěťovými systémy vyplývají a ovlivňují pořadí hodnocení jejich výhodnosti. Například rekuperační brzdění, které je v současnosti standardem všech soudobých elektrických vozidel, vede k nazírání na napájecí systémy i z hlediska opačného toku energie, což má mnohé další důsledky.

1 500 V

Tento systém využívá nepříliš vysoké napětí a proto pracuje s velkými síťovými proudy (I = P / U). Z toho vyplývají těžké trakční vedení, malé vzdálenosti měníren a nevelký výkonový limit. Toto napětí je vhodné spíš pro městské a vicinální železnice, než pro hlavní dráhy, zejména při snaze zvyšovat provozní rychlosti se nedaří zajistit pro vozidla dodávku potřebného výkonu a při vyšších rychlostech nastupují i problémy s dynamickým chováním těžkého sběrače ve vztahu k mechanice trolejového vedení.

Pokud nejsou použity invertorové měnírny (včetně dohodnutí výkupu jimi navracené elektrické energie jejím dodavatelem či distributorem), což by bylo spíš výjimečné, umožňuje tento systém rekuperovat brzdovou energii jen mezi nepříliš vzdálenými vozidly v napájeném úseku. U městských železnic s často zastavujícími vlaky jezdícími ne mnoho rychle a za sebou v těsném sledu, je podobně jako u tramvají a metra poměrně vysoká pravděpodobnost, že se v napájeném úseku najde k brzdícímu vozidlu konzument jím navracené energie. Avšak u železnic s většími odstupem rychleji jezdících vlaků je pravděpodobnost úspěšnosti rekuperace nízká, maření většiny brzdícím vozidlem generované elektrické energie v brzdovém odporníku je zpravidla nutností.

Důvodem existence systému 1 500 V na železnicích je v současnosti již jen udržování výchozího stavu, jeho další zavádění již není řadu let perspektivní a změna systému (za systém na okolních tratích zavedený) v rámci generální opravy infrastruktury má své opodstatnění. Vlastní trakční vozidla však jsou, jak je u tohoto systému tradicí, jednoduchá a levná.

3 000 V

Kvalitativně lze systém 3 kV hodnotit obdobně jako systém 1 500 V, kvantitativně je pochopitelně jeho hodnocení úměrně vyššímu napětí příznivější. Soudobé polovodičové prvky a způsob jejich řízení již umožňují i u sytému 3 kV stavbu vozidel se střídači přímo napájenými z trakčního vedení. To je výrobně i provozně hospodárnější, než dříve používané dvojstupňové či tříbodové měniče pro dvouvinuťové trakční motory.

Elektrická výzbroj trakčních vozidel systému 3 kV je proto relativně jednoduchá, lehká, prostorově nenáročná a tedy i levná. Vstupní obvod a stejnosměrný meziobvod u nich v podstatě splývají v jeden celek.

Svým výkonovým limitem a redukovanou hmotností hlavice sběrače ještě tento systém vyhovuje pro konvenční evropské železnice (kategorie do 200 km/h), pro vysokorychlostní tratě pojížděné ucelenými jednotkami s instalovaným výkonem kolem 8 až 10 MW rychlostmi 300 až 350 km/h jsou jednoznačně preferovány systémy s napětím 15 či 25 kV, u kterých je z důvodu nižší hodnoty síťového proudu napájení snazší.

Pravděpodobnost úspěšné rekuperace brzdové energie, daná možností jejího předání jiným vozidlům v napájeném úseku, je u systému 3 kV dobrá v husté příměstské dopravě a nedobrá v úsecích s řidší dopravou. Ve snaze zajistit dosažitelnost vhodného konzumenta energie i na větší vzdálenost, což je spojeno s překonáním poměrně velkých úbytků napětí v trakčním vedení, je při rekuperaci snaha napětí zvyšovat nad tradičně akceptované nejvyšší přípustné hodnoty, tedy nad 1,2 . 3 000 V = 3 600 V. Podle EN 50 163 je hodnota 3 600 V možná trvale a po dobu 5 minut je přípustné i napětí 3 900 V (tedy 3 000 V + 30 %). Tak radikální zvýšení tolerance napětí je možné jen u stejnosměrných systémů (v soustavách 600 V a 750 V připouští EN 50 163 při rekuperaci napětí až 800 V, respektive 1 000 V, tedy zvýšení o 33 % nad jmenovitou hodnotu), u jednofázových systémů jsou zejména z obavy před přesycováním jádra transformátoru a s tím souvisejícím prudkým zvýšením magnetizačního proudu, možnosti zvýšení tolerance napětí omezenější. U systému 25 000 kV je nejvyšší trvale přípustné napětí 27 500 V (tedy 25 000 V + 10 %) a  po dobu 5 minut je dovoleno jej překročit na hodnotu 29 000 V (tedy 25 000 V + 16 %).

U již provozovaných tratí je systém 3 kV všeobecně ponecháván, nově však již tento systém není (s výjimkou elektrizace navazujících úseků) příliš rozšiřován. Tomu ostatně odpovídá i vžitá praxe v Českých zemích a na Slovensku, kdy tratě propojující oba systémy jsou ve větší délce elektrizovány střídavým napětím 25 kV a napětím 3 kV jen v menší části přiléhající k navazujícím tratím využívajícím stejnosměrný systém.

15 000 V 16,7 Hz

Hodnocení tohoto systému prošlo v několika posledních desetiletích určitými výkyvy. Příchod polovodičové techniky, tedy v prvé fázi možnost nahradit jednofázový trakční motor usměrňovačem a stejnosměrným trakčním motorem a v druhé fázi přechod na bezkomutátorové třífázové trakční motory s elektronickými střídači, vede k tomu, že snížený kmitočet napájecího napětí již s obměnou parku vozidel postupně ztrácí hlavní důvod, kvůli kterému byl na počátku dvacátého století zaveden. Tím bylo zlepšení komutace jednofázových komutátorových trakčních motorů v důsledku snížení velikosti transformačního napětí, indukovaného v komutující cívce rotorového vinutí změnou magnetického toku hlavních pólů, na jednu třetinu. Jen pro úplnost budiž uvedeno, že rozvoj polovodičové techniky též mírně modifikoval jmenovitou hodnotu kmitočtu. Poměr 1 : 3, tedy 16 2/3 Hz : 50 Hz, poplatný době používání rotačních měničů v systému napájení, byl v období elektronických měničů změněn na nesoudělný poměr 16,7 Hz : 50 Hz a to z důvodu zamezení vzniku rezonančních jevů (záznějů) v rozvodné síti.

Obecně známou a obecně platnou nevýhodou systému 15 kV 16 2/3 Hz respektive 16,7 Hz je větší průřez železa trakčního transformátoru, potřebný k vytvoření příslušného magnetického toku. Při pohledu na již čtyři desítky let staré čtyřnápravové elektrické vozy Švýcarských spolkových drah řady RBe 4/4, které mají při hmotnosti pouhých 68 t hodinový výkon 1 988 kW (tedy téměř tak velký, jako elektrická lokomotiva ČSD řady E 499.0) a k tomu 64 míst k sezení, či při pohledu na soudobé čtyřnápravové elektrické lokomotivy o výkonu přes 6 000 kW je zřejmé, že trakční transformátor byl i navzdory nízkému kmitočtu vcelku dobře zvládnut. Nicméně zejména z důvodu optimalizace parametrů nízkopodlažních příměstských jednotek a dvoucestných tramvají (obojích již i s konvenčními transformátory ve velkých počtech realizovaných), jsou hledána a ověřována i nová řešení:

  • vynechání trakčního transformátoru, tedy přímé napájení trakčního měniče a trakčních motorů napětím sítě,
  • použití vstupního vysokonapěťového střídače a vysokofrekvenčního transformátoru s keramickým jádrem,
  • použití kryogenního transformátoru se supravodivým vinutím.

Z ryze technického hlediska jsou všechny tři výše uvedené varianty proveditelné a je v zejména otázkou dalšího vývoje technologií, které z nich se podaří propracovat tak, aby byly s ohledem na výši výrobních nákladů komerčně využitelné.

Překvapivě výhodně a z hlediska původních záměrů jeho tvůrců neplánovaně se jeví systém 15 kV 16,7 Hz z hlediska rekuperačního brzdění. V principu je to dáno obousměrnou průchodností trakční transformovny a zejména vlastní jednofázovou rozvodnou sítí, propojující jednotlivé trakční napájecí stanice. To umožňuje přenášet rekuperovanou energii rozvodnou sítí z úseku, kde nebyla spotřebována, do jiné napájecí stanice. Díky vlivem sníženého kmitočtu nízké induktivní reaktanci (X = ? . L) trakčního i rozvodného vedení jsou rekuperující vozidla schopny najít si i značně vzdáleného konzumenta elektrické energie a to i bez potřeby příliš zvyšovat při brzdění trakční napětí.

Praktickým důsledkem této skutečnosti je fakt, že vozidla tohoto napěťového systému vybavené elektrodynamickou brzdou v podstatě téměř nepotřebují brzdové odporníky, skoro vždy se pro rekuperujícím vozidlem dodávanou energii najde v síti spotřeba. To například umožnilo na lokomotivách řady 120 DB, které původně brzdovými odporníky vybaveny byly, tyto vypustit. Ve většině případů brzdění tato vozidla rekuperují a jen ve výjimečných případech, když síť není schopna elektrickou energii odebrat, vstupuje v činnost mechanická brzda, která je provedena jako kotoučová a je náležitě výkonově a energeticky dimenzovaná.

V současnosti, kdy je v rámci oddělení železničního provozu od železniční infrastruktury prodej a zpětný výkup elektrické energie předmětem obchodních vztahů mezi provozovatelem každého jednotlivého vozidla a dodavatelem elektrické energie do trakčního vedení, má možnost rekuperace důležitý vliv na výši provozních nákladů dopravce.

25 000 V 50 Hz

Nejmladší evropský elektrizační systém má, podobně jako systém 15 000 V 16,7 Hz, proti stejnosměrným systémům výhodu ve větší výkonové zatížitelnost a ve větší vzdálenosti napájecích stanic. Díky možnosti odběru vysokého výkonu a díky nízké redukované hmotnosti hlavice sběrače se dobře hodí i pro vysokorychlostní tratě.

Na rozdíl od doby svého vzniku v padesátých letech minulého století se však u tohoto systému projevily dvě komplikace. Ty v podstatě nesouvisí se systémem samotným, ale s faktem, že pro své napájení nevyužívá vlastní rozvodnou přenosovou (podobně jako je tomu u systému 15 kV 16,7 Hz), ale všeobecnou (průmyslovou) distribuční síť.

Skutečnost, že všeobecnou rozvodnou síť, v podstatě řešenou pro třífázové rovnoměrně působící odběry, nezatěžuje železnice ve všech třech fázích rovnoměrně a navíc ji zatěžuje časově proměnlivě, promítá dodavatel elektrické energie do různých tarifních přirážek, kterými chce kompenzovat vícenáklady, které mu tento druh odběru přináší. Přitom vývojové trendy na straně železnice a elektrárenství jsou v určité disproporci. Snaha železnice o jízdy vyššími rychlostmi zvyšuje časovou nerovnoměrnost odběru – odběrové špičky jsou vyšší a působí kratší dobu. Naopak přechod z uhelné na jadernou energetiku vyžaduje trvalé zatížení elektráren stálým výkonem, větší výkonové disproporce je nezbytné vyrovnávat (například přečerpávacími hydroelektrárnami), což není levnou záležitostí. Z tohoto pohledu se též nelze příliš divit nezájmu distributora či dodavatele elektrické energie vykupovat od železnice zpět rekuperovanou elektrickou energii, zvlášť když její velikost, okamžik zahájení dodávky a dobu trvání nedokáže železnice předem přesně a závazně stanovit. To se pochopitelně týká i systémů stejnosměrných, taktéž napájených ze všeobecné distribuční sítě.

Realita

Ve věci rekuperace elektrické energie zpět do distribuční sítě působí nejen výše popsané záležitosti snahy energetiky o ustálené a vyrovnané poměry ve výrobě a spotřebě, ale i přirozená snaha energetického komplexu elektrickou energii vyrábět a prodávat a nikoliv jí vykupovat zpět. Těžiště problému, proč na rozdíl od tratí využívající jednofázový systém 15 kV 16,7 Hz se samostatnou rozvodnou sítí nemohou v některých případech na jednofázovém systému 25 kV 50 Hz rekuperovat ani nejmodernější vozidla se čtyřkvadrantovými vstupními měniči, však má podstatně hlubší, závažnější a techničtější příčinu. Znemožňuje to před mnoha lety zavedený způsob vzájemného propojení distribuční sítě a trakčních transformoven.

Trakční transformovna je průchozí pro oba směry průchodu elektrické energie, ta může transformátorem procházet z rozvodné sítě do trakčního vedení i opačně. Tato vlastnost je pro rekuperaci příznivá, ale bez ohledu na ni způsobuje nepříjemnosti při dvoustranném napájení trakčního vedení. Jde o to, že dvě sousední trakční transformovny jsou propojeny dvakrát: na primární straně distribuční sítí a na sekundární straně trakčním vedením. V normálním provozu tato skutečnost nevadí, avšak v případě výpadku v distribuční síti, zkratech a podobně, slouží trakční vedení jako nežádoucí paralelní přívod a snaží se postižené místo napájet. Proto jsou již od dob elektrizace tratí jednofázovým systémem 25 kV 50 Hz trakční transformovny takto napájených tratí opatřeny na vstupní straně citlivým relé, reagujícím na změnu smyslu činné složky proudu v přívodu do napájecí stanice. V případě, že se objeví proud tekoucí z transformovny do distribuční sítě, dávají tyto ochrany neprodleně povel k přerušení přívodu, neboť by mohlo jít o nežádoucí přítok energie do místa zkratu.

Zhruba čtyřicet let tato skutečnost provozu železnic nevadila, potíže se projevily až u vozidel s rekuperací. Nemá-li rekuperující vozidlo zajištěn odběr jim dodávané energie v napájeném úseku, začne předávat energii do distribuční sítě a výše popsaná ochrana to vyhodnotí jako možné nežádoucí napájení zkratu v distribuční síti a ihned vypne celou napájecí stanici. Protože rekuperující vozidlo nemá informaci, zda má či nemá jím dodávaná energie v napájeném úseku spotřebitele (na rozdíl od stejnosměrných systémů není velikost napětí v síti obrazem tohoto stavu), nelze na takto napájených tratích v současnosti rekuperovat a vozidla s elektrodynamickou rekuperační brzdou musí trvale mařit brzdovou energii v brzdovém odporníku.

Úsporně i na systému 25 kV

Tato nežádoucí situace pochopitelně má své řešení a to jak na straně energetiky, tak na straně železnice. Z komerčních důvodů však nemá logiku očekávat iniciativu od dodavatelů a distributorů energie, ti mají pochopitelný zájem prodávat co nejvíce energie a nikoliv ji vykupovat zpět. A tak je spíš na železnici tento stav změnit. Jednou z možností je předávat na vozidla (například pomocí GSM) informaci o velikosti primárního proudu trakční transformovny a podle toho odvozovat, jakou část brzdového výkonu lze do sítě dodat bez nebezpečí zásahu ochran. Je účelné, aby železniční vozidla elektrické trakce závislé mohla elektrickou energii vracet do sítě i na jednofázovém systému 25 kV 50 Hz. Vždyť například u příměstských vlaků jezdících rychlostí 100 km /h a zastavujícími každé 3 km lze rekuperací vrátit do zpět do trakčního vedení až 40 % odebrané energie. Navíc je nedobrým paradoxem, že moderní vozidla, vybavená drahými čtyřkvadrantovými vstupními měniči na místě někdejších jednoduchých neřízených diodových usměrňovačů, využívala tuto techniku jen pro zkvalitnění odběru energie, nikoliv i k jejímu navrácení do sítě. Vedle zvýšení odolnosti kolejových obvodů železničních zabezpečovacích zařízení vůči rušivým proudům je záležitost přijetí technických řešení umožňujících povolení rekuperace na systému 25 kV 50 Hz dalším důležitým momentem v zajištění skutečné interoperability železničních tratí elektrizovaných tímto systémem v evropské železniční síti.

Komplikace

Technika polovodičových pulzních střídačů a asynchronních trakčních motorů elektrické lokomotivy výrazně zjednodušila a sjednotila, čímž usnadnila stavbu čtyřsystémových lokomotiv. Avšak sama skutečnost, že je určité vozidlo schopno fungovat při napájení napětím 1,5 kV, 3 kV, 15 kV 16,7 Hz či 25 kV 50 Hz ještě nepostačuje k tomu, aby mohlo být na příslušné trati provozováno. K tomu je též nutno, aby vozidlo spolupracovalo se zabezpečovacím zařízením, kterým je daná trať vybavena.

V kolejnicích se setkávají zpětné trakční proudy s proudy kolejových obvodů železničních zabezpečovacích zařízení. S cílem zabránit ovlivnění činnosti zabezpečovacích zařízení zpětnými trakčními proudy, byly z důvodu odlišení zvoleny pro kolejové obvody jiné frekvence, než jaké odpovídají trakčnímu napájecímu napětí. Rozvoj železničních zabezpečovacích zařízení probíhal ve dvacátém století v různých Evropských zemích odděleně. To způsobilo, že k jedinému základnímu kmitočtu trakčního napájecího systému (například 50 Hz) není přiřazen jediný odlišný kmitočet kolejových obvodů železničních zabezpečovacích zařízení (například 75 Hz), ale velké množství různých kmitočtů. V praxi to znamená, že v Evropě v současnosti existuje ke čtyřem systémů energetického napájení železnic zhruba stovka kmitočtů vyhrazených v různých státech pro zabezpečovací zařízení a tedy přísně zakázaných pro zpětný trakční proud. Z bezpečnostních důvodů je toto téma velmi vážné a náležité filtrování síťového proudu, případně i průběžná kontrola amplitudy zpětného proudu vozidla na vyhrazených frekvencích jako i rozsáhlé kontrolní a schvalovací zkoušky jsou v současnosti složitějším technickým problémem, než pouhé vytvoření vícesystémového vozidla.

Obdobně působí i v průběhu dvacátého století v jednotlivých zemích zavedené rozličné typy vlakových zabezpečovačů a radiostanic. V průběhu druhé poloviny dvacátého století jich v Evropě vznikly desítky. V zásadě sice lze na vozidlo namontovat několik typů vlakových zabezpečovačů a radiostanic, ale v praxi to vede k prostorovým potížím a to jak ve strojovně při umísťování vyhodnocovací aparatury, tak na spodku vozidla při umísťování snímačů či na střeše při umísťování antén, ale zejména ne pultu v kabině strojvedoucího při umísťování ovládacích a sdělovacích prvků. Tato skutečnost plus vysoká cena jednotlivých národních vlakových zabezpečovačů a radiostanic jsou důvodem k tomu, že se na jednotlivé lokomotivy dosazují jen ta zařízení,která na svých vozebních ramenech používají.

Ale ani samotné napájecí systémy nejsou tak jednotné, jak se na prvý pohled jeví. Některé státy, používající stejné napětí, se navzájem odlišují šířkou smýkadla sběrače (1 450 mm, 1 600 mm, nebo 1 950 mm), či jeho materiálem (uhlík versus měď), limitem síťového proudu při odběru i při rekuperačním brzdění, jakožto i výší napětí při rekuperaci. Ke zvláštním požadavkům některých zemí patří i schopnost přejet se vztyčeným sběračem místo bez trakčního vedení. Vzhledem ke skutečnosti, že při rychlosti 200 km/h a výkonu 6 000 kW již nelze použít týž sběrač pro AC a DC systémy (těžká DC hlavice je z důvodu velkých dynamických sil na lehkých AC trakčních vedeních nepřípustná), není snadné všechny potřebné sběrače a k nim náležící odpojovače a zkratovače (sběrače se širokými smýkadly musí být v některých zemích ukostřeny) umístit na střeše lokomotivy, kde je jejich počet limitován číslem 4.

Ani samo technické řešení všech těchto a mnohých jiných odlišností, jako i vybavení vozidla SW pro komunikaci se strojvedoucím a pro diagnostiku v příslušné jazykové verzi,ještě není postačující podmínkou k provozu. Tou je po splnění a prokázání všech technických požadavků typové schválení, tedy potvrzení orgánu státního odborného dozoru, že vozidlo je technicky způsobilé.



související články

Stahovačky – přežitek nebo nutnost? 5. 12. 2006

diskuse k článku

založit diskusi