Järnvägens elkraftförsörjning

Det finns 8 st eldriftcentraler och ca 50 st omformarstationer i Sverige. Trafikverket köper normalt sin energi på 130kV:s spänningsnivå som sedan fördelas ut till elnätet.
Kontaktledningen består av 15000 V, 16 2/3 Hz enfas och hjälpkraftsledningen består av 22000 V 50 Hz trefas. Trafikverket transformerar själv ner spänningen och omvandlar frekvensen till kontaktledningen. Detta kan jämföras med spänningen i våra kontakter i hemmet där vi har 230 V och 50Hz.
Fördelar:

• Järnvägen belastar kraftleverantörens ledning symmetriskt
• Lågt spänningsfall tack vare låg frekvens
• Samma fasläge på hela kontaktledningssystemet i Sverige

Viktiga komponenter

För behandling av växel- och likström.

• Transformator
• Växelriktare
• Likriktare
• Kondensatorer
• Induktorer
• Resistorer

Likström

Likström är en icke pulserande spänning, fås bla. Från batterier. Strömmen definieras att gå
från plus till minus (elektronerna från minus till plus ?)
Batterier består av flera galvaniska celler som genom en kemisk reaktion bildar en spänning. Cellen är urladdad när antalet elektroner är lika på båda sidorna.

Växelspänning

Pulserande spänning med växlande riktning. Har en sinus gång på en tidsaxel?.
Produceras oftast av en generator.
Generatorer i kraftverk producerar tre identiska spänningar som är fasförskjutna från varandra. Kallas symmetriskt trefas nät.

Frekvens

= svängningar per sekund, enhet Hertz (Hz).
Elnätet – 50 Hz
Kontaktledningen – 16 2/3 Hz

Period (T) – tiden för en hel svängning.
Amplitud (A) – avståndet på y axeln från 0 till topvärdet. ( Û = U/2^0,5 )

Transformator

Transformatorn förändrar växelspännings storlek. Består av spolar med olika lindningar.
Högspänning minskar förlusterna vid transportering.

Likriktare

Används för att ändra växelspänning till likspänning, använder sig av dioder, som bara släpper igenom åt ett håll.

Resistansen

Motståndet för den strömmen, mäts i ohm (Ω).
Påverkas av materialets ledande förmåga, längden på ledaren (L), temperaturen och arean (A) på ledaren.
Resistiviteten är mått för ett materials ledande förmåga där lågt värde ger en bra ledare.

Ingen fas skillnad mellan ström och spänning.

Kondensator

Kondensatorn består av två plattor som inte är elektroniskt förbundna. Fungerar olika för lik- respektive växelström.
Spärrar likström, släpper igenom växelström.
Kondensators kapacitans mäts i farad (F), betecknas med C, kondensatorer kan lagra energi.

Spänningen ligger 90 grader efter strömmen.

Induktor

Består oftast av en järnkärna som är lindad med koppartråd.

Kännetecknas av sin induktans, betecknas med L, mäts i henry (H).
Spärrar mer eller mindre växelström(bromsar den iallafall), släpper igenom likström.
Spänningen ligger 90 grader före strömmen.

Effekt

Arbetet som utförs per tidsenhet. Mäts i Watt (W).

Skenbar effekt, S, denna är den effekten man får om man mäter.  S=U*I
Reaktiv effekt, Q, uppstår i t.ex. kondensatorer och spolar. Q=U*I*sin

J-omega-metoden

För att kunna använda jω-metoden måste man använda sig av komplexa storheter, i förhållande till en referensstorhet.
Resistorns ström och spänning ligger i fas, dvs toppar och bottnar förkommer samtidigt, vilket gör att den imaginära delen är lika med 0.
Induktorn ligger spänningen 90° före strömmen, den ritas in uppåt längs den imaginära axeln.
Kondensatorn ligger spänning 90° efter strömmen, den ritas nedåt längs den imaginära axeln.
Resultanten av dessa 3 bildar impedansen.

Trefas grunder

Spänningarna är 120° förskjutna från varandra.
Huvudspänningen är 400 V och fasspänningen 230 V i det vanliga trefasnätet.
Belastas nätet symmetriskt belastas alla tre faser lika mycket. Asymmetrisk last är när t.ex bara en fas belastas.
Induktiv belastning – strömmen efter spänningen.
Asynkronmotorn är en typisk induktiv belastning.
Motorer och generatorer belastar symmetriskt.

Symmetriskt trefassystem

U_f är effektivvärdet av fasspänning dvs spänningen mellan fas- och neutralledare.
U_h är effektivvärdet av huvudspäninngen dvs spänningen mellan två faser.
U_h=√3 * U_f

Huvudspänningarna ligger 30 grader före respektive fasspänning.

Y-koppling

D-koppling

Effekter vid symmetriska laster

Sambanden ↑ gäller både Y- och D-kopplade

Transformatorn

Transformatorn kräver växelström och att det är samma frekvens på båda sidor om transformatorn.
Det finns både enfas- och trefastransformatorer.

• Primär lindning: tillförs energi
• Sekundär lindning: avger energi till last

En transformator kan transponera både upp och ner. Verkningsgraden är 90-99%

Exempel på koppling

• Dd-koppling
• Dyn-koppling
• Yy-koppling

Transformatorformeln

U=4,44*f*N*B^ *A
B^= flödestäthet i T (toppvärde)
A=effektiv järnkärna i m²
N= antal lindningsvarv
f= frekvens

Synkronmaskinen

Rotorn magnetiseras så att den får lika många magnetiska poler som statorn.
För att kunna koppla in maskinen på befintligt nät måste:

• Spänningarna vara lika stora
• Frekvenserna överrensstämma
• Faslaget överrensstämma
• Fasföljden vara densamma

Vid användning endast som motor kan man starta den på följande sätt:

• Direkt start – motorn ansluts till full nätspänning
• Reaktorstart
• Transformatorstart
• Frekvensreglerad start

Rotorn är en magnet. Varvtalet är konstant.

Asynkronmaskinen

Rotorn består av en bur av kortslutna stänger. Hastighetsstyrning görs bäst via frekvensstyrning. Startströmmen kan vara upp till 8 ggr större än märkströmmen.
Sätt att starta:

• Direktstart
• Y/D-start – börjar i y-läge och går över till d-läge
• Mjukstart
• Transformatorstart
• Frekvensomriktarstart
• Yttre resistorer (släpringad motor)

Skydd:

• Säkringar
• Termiskt överströmsskydd
• Motorskyddsbrytare

Bromsning:

• Motströmsbromsning – motorn kopplas till en generator med motsatt riktning, ger stor värmeutveckling
• Översynkron bromsning
• Likströmsbromsning – statorn byter från växel- till likspänning
• Mekanisk bromsning

Omformarstationer

Roterande omformare

Hållbar teknik. Överlastbara med 100% Dock ganska låg verkningsgrad 88-93%

Startautomatiken lär sig hur mycket belastning det är och när. Kan efter 5 veckor bygga upp ett körschema för omformarna.

Statiska omriktare

Krafthalvledare (likriktare):

• Tyristor- kan öppnas men ej stängas
• GTO – kan både öppnas och stängas

Allmän reläskyddsteknik

Reläskyddens uppgift

Förhindra:

• Skador på person och egendom
• Skador på felaktiga komponenter
• Skador på övriga komponenter
• Negativa driftkonsekvenser

Sätt att detektera fel

• Överström – vanligast
• Underspänning
• Spänning/strömsprång
• Underimpedans
• Ljusbåge
• Differentialströmmar- viss diff mellan in och ut
• Obalans spänningar

Trafikverkets reläskyddstyper

16 2/3 Hz – Kontaktledning

• Distansskydd – impedans
• Överströmsskydd
• Underspänningsskydd
• Jordfelsskydd
• Termisk överlast
• Differentialskydd

50 Hz – hjälpkraft

• Överströmsskydd
• Överledningsskydd
• Spänningsmätande jordfelsskydd
• Strömmätande jordfelsskydd

Termiskt skydd kräver väldigt intensiv trafik för att lösa ut

Distansskyddet ”överlappar”