***Jak fungují elektrické lokomotivy

V tomto článku popíšeme princip funkce elektrických lokomotiv. Popis se vztahuje i na elektrické motorové vozy a jednotky. Jelikož je článek určen železničním modelářům nebudeme zacházet do přílišných detailů a popíšeme jen základní principy funkce a hlavní díly pohonů elektrických lokomotiv provozovaných dříve u ČSD a dnes u ČD. V úvodu článku se zmíníme o elektrifikaci našich drah a vysvětlíme různé systémy napájení lokomotiv.

Chcete-li číst dále, klikněte myší na nadpis tohoto článku...

Elektrické lokomotivy
První elektrickou lokomotivu představil berlínské průmyslové výstavě v roce 1879 německý podnikatel Werner Siemens. Tato lokomotiva měla bateriové napájení a sloužila jako atrakce pro návštěvníky, ale asi nikdo si v té době neuvědomoval, že během 20. století většina železničních správ v Evropě bude elektrifikovat své železnice. Například na našich drahách v šedesátých létech 20. století byly elektrifikovány hlavní tahy a elektrické lokomotivy vozily těžké nákladní vlaky i mezinárodní expresy. Dnes elektrická trakce ve vozbě vlaků zcela dominuje.
Dnešní elektrické dráhy (bez ohledu na napětí a druh proudu) mají společný způsob napájení. Jeden pól zdroje je připojen na vrchní vedení (trolej), zatímco druhý pól zdroje je přiveden na koleje a uzemněn.

Jak tedy elektrická lokomotiva funguje? Zjednodušeně se dá říci, že přeměňuje elektrickou energii v elektromotoru na energii pohybovou, která táhne vlak. Ale toto vysvětlení by bylo asi příliš jednoduché. Dříve než popíšeme funkci elektrických lokomotiv, je potřeba se zmínit o jejich napájení z vrchního vedení.

Počátek elektrifikace železnic v Československu
Tak jako v jiných zemích byly i u nás jako první elektrifikovány dráhy pouliční. V řadě našich měst byly elektrifikovány pouliční koňské dráhy nebo rovnou zaváděny pouliční dráhy elektrické (tramvaje), a to v období od 90. let 19. století až do 2. světové války. Teprve během 20. století začala elektrifikace železnic. Mezi prvními byly elektrifikovány dráhy Tábor - Bechyně (od roku 1903), Rybník -Lipno (od roku 1911) a pražský železniční uzel (od roku 1928). V Praze byla elektrifikována nejdůležitější nádraží a spojovací dráhy mezi nimi, aby se omezil provoz dýmajících parních lokomotiv z centra Prahy. Elektrifikace našich tratí začala ve velkém rozsahu až po 2. světové válce. Koncem padesátých let byla zahájena elektrifikace hlavního tahu Kašice - Bohumín - Ostrava - Pardubice - Kolín - Praha stejnosměrným proudem o napětí 3 kV. V roce 1962 byl přepnut pražský uzel z původního napětí 1500 V také na 3 kV a tím byla plnohodnotně připojena k této trati i Praha. Dále pokračovala elektrifikace stejnosměrným napětím severu naší republiky (tedy od Chomutova, Ústí nad Labem, po levém i pravém břehu Labe až do Prahy a Kolína i do dalších Měst).
Od počátku šedesátých let, kdy se podařilo ve světě (i u nás) vyrobit první usměrňovací polovodičové diody použitelné v lokomotivách, se začalo u nás jak s výrobou střídavých elektrických lokomotiv, tak i s elektrifikací střídavým proudem o napětí 25 kV s průmyslovým kmitočtem 50Hz. Střídavým proudem je elektrifikována jižní část Československa od Chebu přes Plzeň, České Budějovice, Veselí nad Lužnicí, Tábor, Jihlava, Kutná hora, Havlíčkův Brod, Brno, Břeclav, Bratislava, Komárno. Kutná Hora byla (a dosud je) stykovou stanicí obou trakčních systémů (3kVss a 25kVstř). Na ostatních tratích se stykové stanice nestavěly a v osmdesátých a devadesátých létech se dělalo stykové místo přímo na trati. To bylo umožněno díky většímu počtu dvousystémových lokomotiv, které přejíždějí izolovaná styková místa setrvačností se staženým sběračem.

Další vývoj elektrifikace železnic v České Republice
Po sametové revoluci v roce 1990 a po rozdělení Československa na přelomu roků 1992 a 1993 se elektrizace velmi zpomalila. Hlavní trati byly v té době již elektrizované a tak se dodělávala styková místa na tratích a podobné práce. V té době dochází ale k zásadnímu zvyšování výkonu elektrických lokomotiv. Naše lokomotivy z šedesátých let měly výkon kolem 2 MW, nejsilnější dvousystémová lokomotiva řady 350 (původně ES499.0) měla úctyhodný výkon 4 MW, ale dnešní lokomotivy mají výkon kolem 6MW. S takovými lokomotivami mají už měnírny napájející naše trati stejnosměrným napětím 3kV velký problém. I přes počáteční neochotu našich odborníků uvažovat o sjednocení napájení našich tratí na střídavý systém 25 kV a i přes jejich vysloveně odmítavé články v tisku se najednou, potom, co Slovensko ohlásilo postupný přechod na střídavé trakční napájení i Česká republika k tomuto trendu přihlásila také. Od roku 2020 došlo k zásadnímu rozhodnutí sjednotit železnice Českých drah na napájení 25kV střídavých. Nebylo to ani tak politické rozhodnutí, jako spíše poznaná nutnost mít dráhy, které budou bez omezení schopny napájet moderní elektrické lokomotivy s velkými výkony, jejichž počet v posledních létech na naších tratích trvale narůstá.
Proč k tomu muselo dojít? Střídavý napájecí systém 25 kV má zhruba osmkrát vyšší napájecí napětí než stejnosměrný systém 3kV. Při stejném výkonu tedy musí téci trolejovým vedením při napětí 3kV osmkrát větší proud než při napětí 25kV. Jelikož ztráty na odporu jsou závislé na druhé mocnině proudu odporem, byly by ztráty při napětí 3kV ve vedení 64x větší. To se samozřejmě kompenzuje větším průřezem vedení, ale i tak jsou ztráty v trolejovém vedení při napětí 3kV podstatně větší. Kromě toho měnírny na 3 kV stejnosměrné nestačí výkonově napájet současně více moderních lokomotiv s většími výkony, prostě na to nejsou dimenzované.
Kromě fyziky je ovšem ve hře také ekonomika, změna napájení na 25kV střídavých znamená obrovské investice do stavby nových výkonných napájecích stanic, do nových trolejových vedení (ta stará nelze kvůli nevyhovující izolaci pro zvýšené napětí použít) ale i do drahých lokomotiv (zpočátku budou muset být ještě dvousystémové). Tohle vše je ve hře při přechodu na jeden systém napájení elektrických lokomotiv 25kV střídavých. Nedivme se proto počátečnímu odmítání ze strany odborníků (i když výše popsané fyzikální zákony jim musely být jasné).
Možná se podivíte, proč se vůbec v Československu přistoupilo na schizofrenní napájení dvěma systémy. Bylo to dáno technickým vývojem v minulém století. Výkonné usměrňovací křemíkové diody vyvinuté ve světě koncem padesátých let 20. století velmi usnadnily stavbu střídavých lokomotiv. Ostatně v tom nejsme sami. Různé napájecí systémy mají dosud ve Velké Británii, Francii, na Slovensku a v bývalém Sovětském svazu. Dnes již nemoderní stejnosměrný systém 3kV používají dosud ve Španělsku, Itálii, Polsku, Belgii a Holandsku (tam dokonce s napětím 1,5kV).

Současné systémy napájení elektrických lokomotiv na našich drahách
Elektrické lokomotivy v současnosti provozované Českými drahami jsou v zásadě dvou systémů, a to:
- stejnosměrné lokomotivy s napětím v troleji 3 kV
- střídavé lokomotivy s napětím v troleji 25 kV využívající napájení průmyslovým kmitočtem 50 Hz
- dvousystémové lokomotivy, které umí jezdit na stejnosměrné i střídavé napájení
Kromě toho některé naše lokomotivy jsou schopné jezdit na napětí 15 kV se sníženým kmitočtem 16,7 Hz. Je to kvůli přejezdu hranic bez přepřahání. Toto napájení se používá v Německu, Rakousku a několika dalších zemích. Z hlediska energetické účinnosti je dnes nejvýhodnější střídavým napájení napětím 25kV/50Hz.

Stejnosměrné lokomotivy
První elektrické lokomotivy na našich drahách byly stejnosměrné, většinou na napětí 1500V. Vyráběla je již od roku 1928 plzeňská Škodovka, ale jen v kusových množstvích pro zajištění provozu v pražském uzlu. Dalšími výrobci byly ČKD Praha a Adamovské strojírny z jižní Moravy. Tehdy se podařilo elektrifikovat nádraží Smíchov, Vysočany, Vršovice, Libeň horní nádraží a současně Wilsonovo nádraží včetně spojovacích tratí mezi nimi. Kromě toho byly mimo Prahu v provozu již od začátku 20. století trati Tábor - Bechyně a trať Rybník (tehdy Certlov) - Lipno nad Vltavou. To byly všechny naše elektrifikované tratě před rokem 1950.
Teprve po druhé světové válce, kdy bylo rozhodnuto o elektrifikaci hlavních tahů našich železnic, začíná Škodovka vyrábět první bobiny (řadu E499.0, později řada 140) na napětí 3 kV (3000 V). Tato řada byla vyrobena podle vzoru švýcarské lokomotivy Ae 4/4, včetně použití licenčních prvků od švýcarských firem. Škodovka dodává první kusy řady E499.0 v roce 1953 současně s uvedením prvních úseků nově elektrifikovaného hlavního železničního tahu Ústí nad Labem – Praha – Ostrava – Žilina – Prešov – Košice – Čierna nad Tisou, na který navázala elektrifikace dalších hlavních tratí.

V roce 1958 konči v Československu výroba parních lokomotiv a Škoda Plzeň lokomotivka se věnuje již jen výrobě elektrických lokomotiv, zatímco ČKD Praha výrobě motorových lokomotiv.

V našich poválečných stejnosměrných lokomotivách se vede proud z vrchního vedení (z troleje) sběračem do lokomotivy, kde má každá náprava lokomotivy svůj trakční motor. Trakční motory lokomotiv jsou sériové (mají tedy budicí vinutí zapojené v sérii s vinutím kotvy). Čtyřnápravové lokomotivy mají tedy 4 trakční motory, ty jsou v jednom podvozku zapojeny trvale v sérii. Regulace je odporová. Při rozjezdu jsou všechny 4 motory zapojeny v sérii, při vyšších stupních jsou zapojeny sério-paraleleně a při nejvyšších stupních se odbuzují pomocí šuntů (nízkých odporů) zapojených paralelně k budicímu vinutí. Takto fungovaly naše lokomotivy první generace.
Pozdější naše stejnosměrné lokomotivy řad 162 a 163 (i lokomotivy střídavé a dvousystémové řad 263, 210, 363) mají již regulaci pomocí tyristorových měničů, takže nedochází k velkým výkonovým ztrátám v odporové regulaci.

Motorové lokomotivy

Na článku se zatím pracuje...

© A.T. - 30.1.2024