Ile energii potrzebuje Metro?

[Piwoslaw]

Zastanawia mnie, ile energii zużywa Metro Warszawskie. Chodzi mi zarówno o całkowitą energię, jak i wyszczególnienie:
- Zasilanie stacji,
- Aparatury i sygnalizacja w tunelu,
- Same wagony.
Przypuszczam, iż pociągi nie zwracają energii do sieci poczas hamowania. Ciekawe ile się w ten sposób marnuje? Widziałem kiedyś porównanie zużycia energii dla tradycyjnego podmiejskiego "kibla" i nowoczesnego i drogiego EZT z odzyskiem energii. Niestety, nie pamiętam gdzie to było, ani jak się przedstawiały liczby :(
Ile może potrzebować pociąg na przejechanie odcinka między kolejnymi stacjami? Powiedzmy że odległość między nimi to 1 km. Z lekcji fizyki z liceum zapewne mogłbym wydusić minimalną energię potrzebną do rozpędzenia pociągu, ale później pojawia się opór powietrza, i to w ciasnym tunelu, a to mnie mocno przerasta.

[irekr]

Jeżeli tabor jest zasilany prądem stałym to nie ma jak oddawać energii do sieci.
Wg moich szacunków:

Biorąc po uwagę analogie z poborem mocy tramwajów przypuszczam ze skład 6cio wagonowy podczas ruszania pobiera z szyny około 2 do 3 kA (1,5 do 2,2 MW), podczas normalnej jazdy bez przyspieszania przypuszczam że około 0,3 kA. Cała energia podczas hamowania idzie w ciepło. Nie jest to strata, bo to samo ciepło ogrzewa powietrze w tunelach i pośrednio stacje. Oświetlenie stacji oceniam na 60 do 100 kVA, zaplecze i układy pomocnicze na około 50 kVA.
Zużycie energii podczas przejazdu: zapewne zależy od obciążenia pasażerami ale można przyjąć że prze 30 sekund pobór maksymalny, 40 sekund pobór szlakowy. Reszta to hamowanie.
Na tyle ja oszacowałem. Ma ktoś konkretne dane?

[Piwoslaw]

Znalazłem następujące dane dla radzieckich wagonów serii 81 (ze strony metro.civ.pl):
- masa wagonu 34000 kg (z kabiną)/33000 kg (bez kabiny),
- średnia ilość pasażerów 178/193,
- maksymalna ilość pasażerów 260/282,
- średnie przyspieszenie 1,2 m/s2.
Liczę tak:
- dwa wagony z kabiną i 4 bez, w każdym maksymalna liczba pasażerów, każdy po 80 kg. Razem pociąg waży 331200 kg,
- maksymalna prędkość 60 km/h=16,67 m/s podzielona przez przyspieszenie 1,2 m/s2 daje niecałe 13,8 s. Czyli ruszając ze stacji po niecałych 14 sekundach pociąg pędzi z maksymalną prędkością 60 km/h (niedługo będzie 80 km/h :),
- praca to połowa masy razy kwadrat prędkości, czyli ok. 46 MJ,
- moc to praca podzielona przez czas (13,8 s), czyli jakieś 3,33 MW.
Więc (nie powinno się zaczynać zdania od słowa "więc") potrzeba niecałe 3,5 MW aby rozpędzić zatłoczony pociąg do maksymalnej prędkości, a później prawie tyle samo ciepła się wydziela poczas hamowania.
Dla wagonów francuskich będzie nieco mniejsza wartość, gdyż wagony są lżejsze i mieszczą mniej pasażerów.
To oczywiście wariant najbardziej uprostszony, ze wzorów z pierwszej klasy liceum (trzeba było sobie przypomnieć, poczułem się znów jak uczeń na klasówce ;). W praktyce wraz ze wzrostem prędkości przyspieszenie będzie malało a opór powietrza wzrastał. Najprościej byłoby podłączyć licznik do odbieraka...

[Piwoslaw]

Jeżeli tabor jest zasilany prądem stałym to nie ma jak oddawać energii do sieci.

A dlaczego? Czy nie można jakoś zamienić polaryzacji lub kierunku diody by się prąd nie cofał? Zresztą chyba Metro jest zasilane prądem zmiennym, jak tramwaje i pociągi.

Cała energia podczas hamowania idzie w ciepło. Nie jest to strata, bo to samo ciepło ogrzewa powietrze w tunelach i pośrednio stacje.

Stacje i bez tego są cieplejsze niż powietrze na powierzchni (chodzi mi o zimę). A oszczędność z odzysku byłaby nie tylko na prądzie, ale również na kołach i klockach hamulcowych.

[irekr]

Napięcie zasilania trzeciej szyny to bodaj 750 V prądu stałego. O ile z pradu zmiennego zrobić prąd stały nie jest problemem to kierunek odwrotny jest dość utrudniony. Trzeba by zastosować specjalne i bardzo drogie przetwornice z napięcia stałego na dokładnie zsynchronizowane napięcie zmienne 50 Hz. Jest to wykonalne ale bardzo nieopłacalne.
Tramwaje także są zasilane napięciem stały o nieco niższym napięciu 550/600V. W Polsce trakcja kolejowa jest pod napięciem 3 kV napięcia stałego lecz w DB (koleje niemieckie) w większości jest stosowane napięcie 15 kV prądu przemiennego i częstotliwości 16 i 2/3 Hz, (na szybkich liniach 25 kV 50Hz) dlatego w Rzepinie jest wymieniana lokomotywa. TGV Jest zasilany z trakcji 25 kV 50 Hz.
I dlatego cała energia podczas hamowania idzie w ciepło, takźe to ciepło z klocków.

[Piwoslaw]

Wydawało mi się, że jedyne europejskie koleje z prądem stałym są w Anglii, ale w tej sprawie bardziej wierzę Irekr-owi niż sobie. A propos - czy w Polsce kiedyś będzie napięcie rzędu 15-25 kV? Zapewne nasze wnuczki dopiero będą sie z tego cieszyć...
Co do odzysku prądu, nadal nie rozumiem dlaczego potrzebna jest przetwornica napięcia. Skoro metro zasilane jest prądem stałym, to silniki zapewne też, więc czemu podczas hamowania silnik nie może robić za prądnicę prądu stałego? Rozumiałbym, że mógłby być problem gdyby silnik był na prąd stały, a zasilanie zmienne, ale podobno tak nie jest.
Samochody elektryczne i hybrydowe używają swego silnika do ładowania baterii w czasie hamowania, a sieć prądu stałego, która zasila metro, jest z punktu widzenia obwodu elektrycznego jedną wielką baterią.
Poza tym są pociągi podmiejskie (tyle że nie u nas), które zwracają energię do sieci. A jeśli one są napędzane prądem zmiennym, to chyba jedynie komplikuje sprawę: trudno chyba jest "dostroić" częstotliwość i fazę zwracanego prądu do sieci.

[pioontek]

Wydawało mi się, że jedyne europejskie koleje z prądem stałym są w Anglii, ale w tej sprawie bardziej wierzę Irekr-owi niż sobie. A propos - czy w Polsce kiedyś będzie napięcie rzędu 15-25 kV? Zapewne nasze wnuczki dopiero będą sie z tego cieszyć...

A mogło być tak pieknie... W połowie lat 90 PKP zamówila 8 elektrowozów EU 43. Miały chodzić na trasie Warszawa - Berlin. Są to dwu systemowe lokomotywy na prąd 3 kV DC, 15 kV 16,2/3 Hz AC. Lokomotywy te posiadały moc hamowania elektrodynamicznego odzyskowego do 6/5,5 MW (8154/7474,5 KM). PKP zamówiło ale nie miało piedzy wiec PAFAWAG sprzedał je do Włoch w których jest takie samo napiecie co u nas.

[irekr]

No to może od końca.
Wy Włoszech stosuje się napiecia podobne do naszych ale włoskie pociagi docieraja takze do Szwajcarii gdzie cześc sieci trakcyjnej jest analogiczna z siecią niemecka czyli 15 kV 16 i 2/3 Hz. Włochy to dziwny kraj gdzie tch napięc jest sporo mozna powiedzic ze jest pełna gama od 25 kV 50 Hz do 1,5 kV pradu stałego.

Niestety aby dokonac transferu mocy podczasz napedu i hamowania silnika trzeba uzyć np. inwersyjnej przetwornicy tyrystorowej. Działa tak samo jak przetwornica klasyczna ale podczas pracy jako napęd robi za tranformator z napięcia 25 kV 50 Hz z prostowaniem na elementach tyrystorowych o konrolowanym otwarciu (podczas napedu), natomiast podczas pracy jako źródło mocy przy hamowaniu pracuje jako zsynchronizowna przetwornica napięcia stałego 0,5 do 3 kV stałego na 25 kV 50 Hz. Napiecie stałe powstaje podczas hamowania silnika który na znanej zasadzie inwersji napedu pracuje jako prądnica. W standardowych układach moc wytwarzana przez silnik jest podawana na opornice hamowania gdzie zamienia sie w ciepło. Oczywiscie cały proces jest bardzo dokładnie zautomatyzowany a przetwornica jest zamontowany na pokładzie lokomotywy i (czego nie ma co ukrywac) jest dość spora (rzedu kilku ton) z uwagi na przenoszona moc, porównywalna z moca pobierana przez lokomotywę.

Nowoczesny tabor ma tyrystorowe sterowanie napedu silników. Nic nie stoi na przeszkodzie by były to takie same systemy rewersji mocy. Niestety nie sa one tanie. I to takze jest przyczyna ze nie ma ich u nas.

W samochodach hybrydowych sprawa jest prosta; cztery silniki na kołach pracuja podczas hamowania jako cztery pradnice pradu stałego, ładując akomulatory trakcyjne. Silnik spalinowy o stałych obrotach napedza w razie potrzeby pradnicę (alternator) wytwarzającą prąd stały do ładowania akumulatorów jak i jazdy pojazdu. To tak samo jak w lokomotywach spalinowych, ale tam nie ma akumulatorów, które by zajeły (przy tych mocach) kilka wagonów.

Oczywiście budowa podstacji zasilania trakcyjnego jest wtedy zupełnie inna. Obecnie mamy do czyniena z trój lub sześciofazowym prostownikiem mostkowym dołaczonym do tranformatora lub transformatorów. Produktem wyjsciowm jest napięcie stałe 3kV dla kolei, 750V dla metra czy 550/600V dla tramwaju.
W sieciach trakcyjnych na prąd zmienny jest to zwykły transformator napiecia siec np 30 kV 50 Hz trójfazowego na jednofazowy 25 kV. Aby uniknać asymetrii obciazenia faz czasami stosuje się cos w rodzaju skojarzenia wielokrotnego zygzaka który to układ poprawia symetrie ociązeń kazdej z faz zasilajacych.

[xxl]

Trochę nie macie racji, w naszym metrze wszystkie pociągi hamują elektrodynamiczne, tylko że w rosyjskich składach energia zamieniana jest w ciepło, natomiast w składach Alstom istnieje możliwość hamowania odzyskowego w wraz z oddawaniem do sieci energii
Właśnie w tym celu wprowadzono rekuperację. Hamujący pociąg oddaje do sieci energię którą odbiera ruszający ze stacji pociąg. W ten sposób się to odbywa

[irekr]

Jeżeli w MW jest możliwość oddawania energii ze składu hamowanego dla ruszającego to bardzo dobrze. Warunek jest tylko taki, ze energia musi być odebrana, czyli na jednym odcinku zasilania są składy które mogą przyjąć energię. O oddawaniu energii do sieci energetycznej chyba nie bardzo będzie można rozmawiać.

[xxl]

Jeżeli w MW jest możliwość oddawania energii ze składu hamowanego dla ruszającego to bardzo dobrze. Warunek jest tylko taki, ze energia musi być odebrana, czyli na jednym odcinku zasilania są składy które mogą przyjąć energię. O oddawaniu energii do sieci energetycznej chyba nie bardzo będzie można rozmawiać.

No dokładnie o tym napisałem, na jednym odcinku zasilania musi być hamujący pociąg który oddaje energię, w tym samym czasie ze stacji musi ruszać pociag który tę energię odbierze
Instalacja która mogłaby odbierać i magazynować energię jest bardzo kosztowna, będzie zwracać sie latami.
W przypadku rozwiązania zastosowanego w metrze za pomocą prostych rozwiązań silami załogi udało się obniżyć koszty zakupu energii do zasilania pociągów o około 10%

[Czarek]

A wiadomo ile wynosi rachunek za prąd?

[irekr]

Jest jeszcze stary sprawdzony sposób z metra nowojorskiego: dołacznie do podstacji trakcyjnej baterii akumulatorów. Systyem dzialał na zasadzie siłowni buforoanej. Stosowano takie urzadzenia w NYC w latach 30tych i spisywały sie dzielnie...

[Wengiel]

A nie można by zastosować prostszego rozwiązania? Na styku dwóch odcinków zasilania byłoby urządzenie wykrywające nadwyżkę prądu z hamowania jednego składu i załączałoby oba odcinki tak, aby prąd przepłynął do następnego odcinka na którym wykorzystany zostałby przez ruszający skład. Ewentualnie prościej, odcinki byłyby między sobą załączone cały czas, oczywiście poprzez bezpiecznik, wyłącznik nadmiarowy (nie wiem, jak się to w przypadku sieci trakcyjnej fachowo nazywa) i inną możliwość rozłączenia w razie konieczności.

I jeszcze jedno: na sieci PKP stosuje się napięcie 3 kV. Wadą tego systemu są duże prądy płynące w linii trakcyjnej (np. dla mocy 2 MW jest to 666 A) to powoduje duże straty mocy, oraz konieczność gęstego ustawienia podstacji (co 15- 30 km). Tymczasem rosyjski skład metra ma silniki o mocy 110 kW, 4 silniki na wagon, 6 wagonów w składzie. Przy napięciu zasilania 750 V daje to prąd o natężeniu 3520 A, czyli spore straty mocy. Mam pytanie, jak gęsto rozmieszczone są podstacje w metrze?

[Piwoslaw]

Nie jestem pewien, ale chyba odcinki muszą być od siebie odizolowane, np. żeby jakieś spięcie czy inne świństwo nie rozeszło się po całej sieci. Elektroniczne wyłączniki mogą nie zdązyć zareagować, jak pokazał przykład awarii sieci energetycznej USA sprzed dwóch lat. Wtedy awaria (piorun?) jednej z podstacji spowodowała wyłaczenie zasilania w kilkunastu stanach.