Wszystkie elektryczne pojazdy trakcyjne i spalinowe z przekładnią elektryczną wyposażone są w maszyny elektryczne, które spełniają różne zadania. Maszyny te są przede wszystkim wykorzystywane do napędu pojazdów jako silniki trakcyjne. W pojazdach elektrycznych stosuje się także maszyny pomocnicze, przede wszystkim przetwornice i sprężarki. W pojazdach spalinowych z przekładnią elektryczną znajduję się prądnica główna prądu stałego lub przemiennego oraz prądnica pomocnicza. Wszystkie maszyny, które znajdują się w pojazdach trakcyjnych są narażone na uciążliwe warunki pracy spowodowane:
- drganiami i wstrząsami spowodowanymi jazdą taboru, szczególnie podczas przejeżdżania po rozjazdach;
- dużymi zmianami temperatury otoczenia oraz nagrzewaniem się maszyn;
- działaniem warunków zewnętrznych takich jak wilgoć, kurz, pył, zanieczyszczenia, które dostają się do maszyn;
- duże zmiany obciążenia w zakresie od przeciążenia nawet dwukrotnego przy rozruchu do jazdy z rozpędu, kiedy to prąd nie jest pobierany.
Wszystkim tym warunkom maszyny elektryczne muszą sprostać i być na nie odporne. W związku z tym maszyny te muszą być bardzo szczelne (szczególnie silniki trakcyjne), aby nie przedostawały się do nich zanieczyszczenia, muszą mieć dobrą wentylację aby się nie przegrzewały, a materiał z jakich są wykonane musi być dobrej jakości. Dodatkowo maszyny nie mogą być zbyt ciężkie i zbyt duże aby można było je umieścić w odpowiednich miejscach, a ich konstrukcja musi umożliwiać łatwy dostęp do wnętrza w celu kontroli stanu jej elementów oraz konserwacji.
Maszyny elektryczne stosowane w pojazdach trakcyjnych dzielą się:
a) ze względu na rodzaju prądu zasilania:
- maszyny prądu stałego,
- maszyny prądu przemiennego;
b) ze względu na przeznaczenie:
- prądnice (główne, pomocnicze, tachometryczne),
- silniki (trakcyjne, pomocnicze),
- przetwornice (napięcia, prądu, częstotliwości);
c) ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem wirnika maszyny prądu stałego mogą być:
- szeregowe,
- bocznikowe,
- szeregowo-bocznikowe,
- szeregowo-obcowzbudne,
- bocznikowo-obcowzbudne,
- szeregowo-bocznikowo-obcowzbudne;
d) maszyny prądu przemiennego ze względu na zasilanie mogą być:
- jednofazowe,
- trójfazowe,
- wielofazowe;
e) maszyny prądu przemiennego ze względu na budowę mogą być:
- komutatorowe,
- asynchroniczne (indukcyjne),
- synchroniczne;
f) maszyny jednofazowe komutatorowe ze względu na budowę dzielą się na:
- szeregowe,
- bocznikowe;
g) maszyny asynchroniczne ze względu na budowę dzielimy na:
- klatkowe,
- pierścieniowe;
h) maszyny synchroniczne mogą mieć:
- magnes trwały;
- elektromagnes zasilany prądem stałym;
i) inne nietypowe maszyny:
- silnik liniowy.
Maszyny elektryczne stosowane w pojazdach trakcyjnych PKP są zasilane zwykle prądem stałym o napięciu 3000 V (napięciem sieci) lub napięciem obwodów pomocniczych (najczęściej 110 V, ale nie zawsze). Obecnie coraz częściej stosuje się maszyny prądu przemiennego, na przykład trójfazowe silniki asynchroniczne zasilane przez przekształtnik. W pojazdach trakcji spalinowej z przekładnią elektryczną prądu przemiennego znajduje się prądnica trójfazowa prądu przemiennego.
Pod względem sposobu łączenia uzwojenia wirnika z uzwojeniem wzbudzenia zwykle stosuje się silniki szeregowe, gdyż mają one dobre właściwości ruchowe. Niekiedy stosuje się silniki szeregowo-bocznikowe lub bocznikowe. Jako prądnice z kolei nie stosuje się prądnic szeregowych ze względu na złe własności ruchowe. Prądnice są to zwykle maszyny bocznikowo-obcowzudne mające dodatkowo uzwojenie szeregowe.
Pod względem przeznaczenia prądnice stosuje głównie w pojazdach spalinowych z przekładnią elektryczną jako prądnice główne zasilające silniki trakcyjne oraz prądnice pomocnicze zasilające obwody niskiego napięcia. Oprócz tego w pojazdach elektrycznych i spalinowych stosuje się prądnice tachometryczne zasilające obwód prędkościomierzy.
Silniki służące do napędu pojazdów trakcyjnych nazywane są silnikami trakcyjnymi. Ponadto stosuje się także silniki pomocnicze służące do napędu wentylatorów, sprężarek, wałów kułakowych, wycieraczek itp.
Przetwornice to maszyny przeznaczone do przetwarzania napięcia o jednym poziomie na napięcie o innym poziomie. W pojazdach trakcyjnych PKP stosuje się przetwornice przetwarzające napięcie 3000 V prądu stałego na 110 V (obwody elektryczne lokomotyw ET40 zasilane są napięciem 48 V) prądu stałego. Oprócz tego w trakcji można znaleźć także przetwornice prądu, które przetwarzają jeden rodzaj prądu na drugi oraz przetwornice częstotliwości, które przetwarzają częstotliwość. Tego rodzaju maszyny na PKP jednak raczej nie mają zastosowania.
W schematach obwodów elektrycznych stosuje się oznaczenia literowe i graficzne, które informują o rodzaju uzwojenia. Poniższa tabela przedstawia oznaczenia w maszynach prądu stałego.
Parametry techniczne maszyn elektrycznych
Maszyny elektryczne stosowane w pojazdach PKP są na różne napięcia i o różnych mocach. Napięcia wysokie znamionowe pracy to 1500 i 3000 V. Te napięcia są przyjęte jako znormalizowane w ruchu międzynarodowym. Normalizacja napięć umożliwia wymianę taboru między zarządami kolei. Jako napięcia niskie przyjmuje się 110 V prądu stałego.
Znamionowe napięcie maszyn komutatorowych zależy od napięcia międzydziałkowego komutatora. Przyjmuje się, że napięcie to wynosić może od 10 do 20 V. W przypadku podania wyższego napięcia na komutatorze może powstać ogień okrężny i zniszczyć maszynę. Więc jeśli napięcie znamionowe maszyny ma być wyższe, co się wiąże z napięciem międzydziałkowym na komutatorze to maszyna musi mieć komutator o odpowiednio dużej średnicy tak, aby napięcie międzydziałkowe było wyższe. Wartość napięcia znamionowego maszyny jest jednak ograniczona grubością izolacji uzwojeń, dlatego w trakcji nie buduje się maszyn na napięcia powyżej 3000 V. Właśnie ze względu na wartość napięcia międzydziałkowego na komutatorze napięcie znamionowe pracy silników trakcyjnych jest ograniczone do 1500 V przy izolacji na 3000 V. Dlatego silniki trakcyjne w pojazdach połączone są w grupę, dwa w szereg. Przeszkodą w zastosowaniu silników na 3000 V jest średnica komutatora silnika (brak miejsca). Silnik przetwornicy zasilany może być napięciem 3000 V ponieważ średnica komutatora może być większa.
Wszystkie maszyny zasilane z napięcia sieci muszą być odporne na wahania napięcia. Przyjęto, że napięcie sieci trakcyjnej może być wyższe od znamionowego o 20 % a niższe o 30 %. Tak duże wahania jednak nie powinny mieć wpływu na bezpieczeństwo maszyn.
Moc maszyn stosowanych w trakcji dochodzi do 1500 kW. Jest ona także ograniczona wymiarami konstrukcji.
Ze względu na czasy i możliwości obciążeń moce można podzielić na:
- moc chwilową - jest to moc jaką maszyna może osiągnąć w ciągu krótkiego czasu bez przekroczenia dopuszczanej temperatury;
- moc godzinową - jest to moc jaką maszyna może osiągać w ciągu godziny bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury dla uzwojeń;
- moc ciągłą - jest to moc jaką maszyna może rozwijać w dowolnie długim czasie bez ryzyka przekroczenia dopuszczalnej temperatury pracy uzwojeń.
Z związku z tym największą wartość będzie miała moc chwilowa, a najmniejszą moc ciągła. Moc maszyny elektrycznej mierzy się na zaciskach w przypadku prądnicy, a w przypadku silników na wale wirnika i podaje w kilowatach [kW].
Nagrzewanie się maszyn i ich chłodzenie
Podczas pracy maszyny elektrycznej część energii elektrycznej zamieniana jest na energię cieplną. Powstają więc straty cieplne. Straty te można podzielić na straty występujące w miedzi oraz w żelazie. Straty występujące w miedzi to straty, które powstają w miedzianym uzwojeniu i są one związane z grzaniem się uzwojenia podczas przepływu prądu. Ilość ciepła wydzielanego na uzwojeniu jest wprost proporcjonalna do kwadratu przepływającego prądu przez to uzwojenie. Straty w żelazie związane są z występowaniem zjawisk magnetycznych w biegunach. Pierwszy rodzaj strat jest największy i ma on wpływ na temperaturę maszyny podczas pracy. Największe straty w miedzi powstają podczas rozruchu, gdy przez uzwojenia przepływa największy prąd.
Przyjmuje się, że maszyna w momencie rozruchu ma temperaturę otoczenia. Od tego momentu zaczyna się nagrzewać. Wobec dużej różnicy temperatur pomiędzy uzwojeniami, w których płynie prąd, a otoczeniem maszyna początkowo szybko się nagrzewa. Rozpoczyna się oddawanie ciepła do otoczenia. W miarę upływu czasu przyrost temperatury maleje i całe ciepło wydzielone w uzwojeniu jest oddawane do otoczenia. W tym czasie uzwojenie już się bardziej nie nagrzewa i wówczas temperatura maszyny jest już ustalona.
Gdy maszyna przestaje pracować następuje chłodzenie maszyny.
Nagrzewanie się i chłodzenie maszyn elektrycznych jest uzależnione od rodzaju pracy. Silniki trakcyjne w pojazdach trakcyjnych nie pracują ciągle. Jest to oczywiście uzależnione od rodzaju pociągu, rodzaju linii, jednak silniki trakcyjne nie nagrzewają się w sposób ciągły dlatego osiągają one temperaturę ustaloną po długim czasie, tym bardziej że są intensywnie chłodzone przez wentylatory. Jedynymi maszynami, które pracują praktycznie w sposób ciągły są przetwornice.
Nagrzewanie się maszyn elektrycznych jest zjawiskiem niekorzystnym, gdyż może w pewnych sytuacjach spowodować przegrzanie się maszyn. Dlatego każda maszyna większej mocy jest chłodzona sztucznie. Chłodzenie sztuczne może być własne lub obce.
Chłodzenie własne polega na tym, że na wale maszyny znajduje się wentylator, który wtłacza powietrze z zewnątrz do silnika. Intensywność chłodzenia uzależniona jest od prędkości wirowania wirnika i dostępności powietrza.
Chłodzenie obce polega na tym, że do maszyny doprowadzone są kanały wentylacyjne, którymi tłoczone jest powietrze z niezależnego wentylatora. W związku z tym intensywność chłodzenia nie zależy od prędkości wirowania wirnika chłodzonej maszyny, a od prędkości wirowania łopat maszyny chłodzącej i ilości dostarczanego powietrza.
Chłodzenie obce z reguły stosowane jest przy maszynach największych mocy, a więc przy silnikach trakcyjnych. Wówczas stosuje się przewietrzanie grupowe, tzn. jeden wentylator chłodzi kilka silników trakcyjnych. W elektrycznych pojazdach trakcyjnych wentylator silników trakcyjnych umieszczony jest zwykle na wale przetwornicy, a powietrze tłoczone przez niego tłoczone jest do silników poprzez kanały wentylacyjne, ale zastosowanie mają także osobne wentylatory silników elektrycznych.
Izolacja maszyn elektrycznych
Bardzo ważnym zagadnieniem w projektowaniu maszyn elektrycznych jest odpowiedni dobór izolacji do warunków pracy maszyny i jej przeznaczenia. Izolacja ma nie tylko zapewniać ochronę przed przejściem napięcia, ale także musi odpowiednio odprowadzać ciepło wydzielające się w uzwojeniu. W zależności od warunków pracy maszyny stosuje się różne klasy izolacji. Przykładowo uzwojenie wirnika w maszynie pracuje w trudniejszych warunkach niż uzwojenie umieszczone na stojanie. Jest to spowodowane tym, że podczas pracy na uzwojenie wirnika działa siła odśrodkowa, poza tym trudniej odprowadzać ciepło. Z tego względu w wirniku maszyny niekiedy stosuje się inną izolację niż w stojanie.
Rozwój chemii przyczynił się do znalezienia nowszych, bardziej trwałych materiałów izolacyjnych. Jednym z dość dobrych materiałów izolacyjnych jest żywica epoksydowa. W swoich właściwościach odznacza się trwałością, dobrym przyleganiem do metalu oraz jest dobrym dielektrykiem. Innymi dobrymi materiałami izolacyjnymi są tkanina szklana, mikanit, kit izolacyjny.
Zastosowanie izolacji wyższej klasy ma wpływ na moce maszyn, dzięki stosowaniu uzwojeń o wyższej klasie izolacji można zwiększyć moc maszyny przy tym nie zwiekszając jej wymiarów. Ma to wpływ na obniżenie kosztów budowy maszyny.
Izolacja maszyn z biegiem czasu starzeje się. Jest to związane z nagrzewaniem się maszyn podczas pracy. Izolacja w miarę upływu czasu traci swoje właściwości izolacyjne i wytrzymałościowe. Dlatego podczas okresowych przeglądów maszyn należy badać stan izolacji oraz dokonywać prób napięciowych na wytrzymałość izolacji. W najtrudniejszych warunkach pracy znajdują się izolacje maszyn dużych mocy. Starzenie się izolacji maszyn ma wpływ na żywotność maszyny. Szacuje się, że żywotność maszyn elektrycznych sięga 20-25 lat przy prawidłowym ich eksploatowaniu.
Maszyny elektryczne przystosowane są do pracy w określonych warunkach klimatycznych. W naszych, krajowych warunkach klimatycznych maszyny przystosowane są do pracy:
- w zakresie zmian temperatury od -30oC do +40oC;
- w zakresie wysokości nad poziomem morza do 1200 m;
- w wilgotności powietrza nie przekraczającej 75% przy temperaturze otoczenia 20oC.
Przekroczenie tych wartości oczywiście nie oznacza, że maszyna przestanie pracować, jednak w miarę obniżenia się temperatury poniżej dolnej granicy lub wzrostu temperatury powyżej górnej granicy warunki pracy maszyny się pogarszają. Podobnie jest z pozostałymi parametrami.
Poniżej znajdują się odnośniki do poszczególnych zagadnień związanych z pojazdami trakcyjnymi:
PRZETWORNICE![[Rozmiar: 5751 bajtów]](tla i obrazki/uzwojenia maszyn.gif)