TRAKCJA ELEKTRYCZNA

SILNIKI TRAKCYJNE

REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO

  Znając wzĂłr na prędkość obrotową i znając zasadę działania silnika moĹźemy prowadzić rozwaĹźania na temat regulacji prędkości obrotowej silnikĂłw trakcyjnych. Pomijając spadek napięcia w wirniku wiadomo, Ĺźe prędkość obrotowa silnika zmienia się wg następującego wzoru:


  Patrząc na wzĂłr widać, Ĺźe obroty moĹźna zmieniać regulując napięcie na zaciskach silnika, albo teĹź strumień wzbudzenia. W pojazdach na prąd stały prędkość obrotową regulować moĹźna włączając rezystory rozruchowe szeregowo w obwĂłd wirnika, stosując tyrystorowe regulatory napięcia, bocznikując uzwojenie wzbudzenia lub stosować róşne połączenia silnikĂłw trakcyjnych. W praktyce, w pojazdach trakcyjnych stosowane są wszystkie metody jednocześnie w określonym układzie regulacji.

A. REGULACJA REZYSTOROWA
  Regulacja rezystorowa polega na tym, Ĺźe prędkość obrotową silnikĂłw regulujemy włączając lub wyłączając poszczegĂłlne grupy rezystorĂłw, ktĂłre powodują dodatkowe spadki napięcia w obwodzie silnikĂłw. Wiadomą rzeczą jest, Ĺźe im więcej tych rezystorĂłw w obwodzie tym spadek napięcia będzie większy, więc podczas rozruchu lokomotywy, rezystorĂłw włączonych w obwĂłd będzie duĹźo. Rozruch lokomotywy więc będzie polegał na tym, Ĺźe wyłączane będą poszczegĂłlne grupy rezystorĂłw i w ten sposĂłb napięcie doprowadzone do silnika będzie rosło. Podczas rozruchu rezystory rozruchowe się bardzo nagrzewają i dlatego muszą być chłodzone. Stosuje się przewietrzanie obce - za pomocą wentylatorĂłw oporĂłw rozruchowych (lokomotywy elektryczne) lub przewietrzanie naturalne wykorzystując powietrze atmosferyczne (elektryczne zespoły trakcyjne). Regulacja rezystorowa jest nieekonomiczna poniewaĹź powstają straty cieplne, ktĂłre nie są w Ĺźaden sposĂłb wykorzystane, dodatkowo trzeba stosować wentylatory (w przypadku lokomotyw elektrycznych).

SILNIK SZEREGOWY

  Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorĂłw (oporĂłw) rozruchowych z silnikiem szeregowym:


  Szeregowo włączone rezystory będą powodowały, Ĺźe napięcie na zaciskach silnika szeregowego U_s będzie wynosiło:


  PoniewaĹź napięcie sieci U jest na stałym poziomie, więc będzie się zmieniała tylko wartość spadku napięcia na rezystorach I * R. W czasie rozruchu prąd obciążenia zmienia się od I_max do I_min. Sytuacja taka powtarza się tyle razy ile jest rezystorĂłw rozruchowych. W związku z tym moĹźna przyjąć, Ĺźe prąd obciążenia jest w pewnych granicach na stałym poziomie, więc spadek napięcia w obwodzie głównym (I * r, gdzie r = r_a + r_f) jest takĹźe na stałym poziomie.

  Prędkość obrotowa silnika szeregowego będzie się zmieniała według następującej zaleĹźności:


  Wartość napięcia doprowadzana do zaciskĂłw silnika będzie rosła w miarę zmniejszania się rezystancji R. WĂłwczas wzrośnie prędkość obrotowa.

  Stosunek obrotĂłw zmienianych n` do obrotĂłw znamionowych n będzie wynosił:


  W czasie zmian prędkości obrotowej w obwodzie włączona jest rezystancja R, ktĂłrej wartość decyduje o spadku napięcia. Przy obrotach znamionowych rezystancja ta jest wyłączona. W związku z tym stosunek obrotĂłw zmienianych do znamionowych jest mniejszy od 1.

SILNIK BOCZNIKOWY

    Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorĂłw (oporĂłw) rozruchowych z silnikiem bocznikowym:


  Włączone szeregowo z obwodem wirnika rezystory będą powodowały, Ĺźe napięcie na zaciskach silnika bocznikowego U_b będzie wynosiło:


  Wartość napięcia zasilającego jest na stałym poziomie, więc zmieniać się będzie tylko spadek napięcia na rezystorach R. Podobnie jak w silniku szeregowym wartość prądu obciążenia w czasie rozruchu zmienia się od I_max do I_min, więc moĹźna przyjąć, Ĺźe jest stała w pewnych granicach. W związku z tym spadek napięcia w obwodzie głównym (I * r_a) jest takĹźe na stałym poziomie.


  W miarę zmniejszania się rezystancji prędkość obrotowa będzie rosła.

  Stosunek obrotĂłw zmienianych n` do obrotĂłw znamionowych n będzie wynosił:


  Sytuacja będzie analogiczna jak przy silniku szeregowym - stosunek będzie mniejszy od 1.

SILNIK SZEREGOWO-BOCZNIKOWY

  W silniku szeregowo-bocznikowym są dwa uzwojenia: szeregowe i bocznikowe. Rozruch rozpoczyna się przy włączonych obu uzwojeniach. W obwodzie wirnika znajdują się rezystory, ktĂłrymi zwiększa się napięcie doprowadzane do wirnika zmniejszając wartość rezystancji. Po wyłączeniu tych rezystorĂłw prędkość zwiększa się regulując wartość prądu w obwodzie wzbudzenia. Zwiększając rezystancję zmniejsza się prąd wzbudzenia bocznikowego (pole wzbudzenia bocznikowego słabnie) i prędkość rośnie.

B. REGULACJA PRĘDKOŚCI POPRZEZ ZMIANĘ NAPIĘCIA ZASILANIA
  Regulacja poprzez zmianę napięcia zasilania polega na wykorzystaniu tyrystorowych lub tranzystorowo-diodowych regulatorĂłw napięcia, ktĂłre regulują napięcie doprowadzane do silnika w bardzo szerokich granicach. Regulator włączony jest w obwĂłd wirnika i regulacja odbywa się przy pełnym strumieniu wzbudzenia. Regulator sterowany jest ze sterownika, ktĂłrym jest nastawnik jazdy. Część regulatora włączona jest takĹźe w obwĂłd wzbudzenia, co takĹźe zapobiega stratom na rezystorach podczas ograniczania prądu wzbudzenia - zobacz takĹźe tutaj.
Na rysunku poniżej pokazany jest schemat silnika szeregowego sterowanego przez regulator napięcia.


  Sterowanie energoelektroniczne jest ekonomiczne poniewaĹź nie występują straty energii jak w przypadku rezystorĂłw rozruchowych. Niestety pojazdy PKP w zdecydowanej większości wyposaĹźone są w rozruch oporowy co wpływa na ekonomikę eksploatacji, co gorsza - nawet lokomotywy po naprawach głównych są zaopatrywane w stary i wysłuĹźony rozruch rezystorowy. Najgorszym tego przykładem jest lokomotywa ET22-2000, ktĂłra została gruntownie zmodernizowana w 2004 roku, posiada wiele nowoczesnych rozwiązań, jednak mankamentem jest pozostawienie rozruchu rezystorowego (na Ĺźyczenie właściciela pojazdu - PKP Cargo). Tylko niewielka część pojazdĂłw trakcyjnych PKP posiada obwĂłd główny wyposaĹźony w energoelektroniczny regulator prędkości obrotowej - głównie lokomotywy EM10.

C. BOCZNIKOWANIE
  Innym sposobem regulacji prędkości obrotowej jest osłabienie pola biegunĂłw głównych. W silnikach szeregowych moĹźna to zrobić na dwa sposoby - przez bocznikowanie uzwojeń lub odłączanie określonej liczby zwojĂłw uzwojenia wzbudzenia. W silnikach bocznikowych moĹźna stosować jeszcze regulację prądu wzbudzenia przez rezystor lub wykorzystując energoelektroniczny regulator prądu wzbudzenia.

  Bocznikowanie przez zmniejszanie liczby zwojĂłw polega na tym, Ĺźe uzwojenie wzbudzenia jest podzielone i końcĂłwki zwojĂłw wyprowadzone są do zaczepĂłw. Zaczepy są zwierane przez łączniki (np. styczniki) w zaleĹźności od potrzeby. WĂłwczas prąd przepływa przez część uzwojenia wzbudzenia, łącznik i w ten sposĂłb omija część zwojĂłw.

  Bocznikowanie przez zastosowanie bocznika polega na włączeniu rĂłwnolegle do obwodu wzbudzenia bocznika indukcyjnego połączonego z rezystorami. Bocznik oraz poszczegĂłlne rezystory mają rezystancję czynną, ktĂłra decyduje o stopniu osłabienia pola. Zwiększanie prędkości obrotowej polega na załączeniu obwodu bocznikowania i odpowiednie załączanie rezystorĂłw. WĂłwczas prąd wypływający z wirnika silnika trakcyjnego rozgałęzia się i część popłynie przez obwĂłd wzbudzenia, a część przez bocznik indukcyjny i rezystory. Na skutek tego prąd płynący w uzwojeniu wzbudzenia osłabnie i zmniejszy się strumień magnetyczny.


  Bocznikowanie uzwojeń jest metodą ekonomiczną w eksploatacji, jednak zjawiska jakie zachodzą przy osłabionym polu wymuszają stosowanie dodatkowych uzwojeń kompensacyjnych, ktĂłre komplikują budowę silnika. Osłabienie pola poprzez stosowanie bocznika indukcyjnego daje jednak większe korzyści niĹź stosowanie zaczepĂłw. W stanach nie ustalonych na skutek zmian prądu i duĹźej indukcyjności uzwojenia wzbudzenia prąd narastałby w nim wolniej niĹź w gałęzi bocznika przez co chwilowe osłabienie pola by było większe niĹź potrzeba. Zastosowanie bocznika o duĹźej indukcyjności powoduje, Ĺźe prądy w gałęzi bocznika i uzwojeniu wzbudzenia ustalają się rĂłwnocześnie.
  Wadą bocznikowania jest obniĹźenie się momentu na wale silnika, w związku z tym bocznikowanie stosuje się do regulacji prędkości a nie do rozruchu. Bardzo waĹźne jest takĹźe, aby nie zbocznikować całkowicie uzwojenia wzbudzenia bo doprowadzi to do rozbiegania się silnika i nawet zniszczenia.
Zobacz takĹźe ---> rezystory i boczniki

D. REGULACJA PRĘDKOŚCI ZA POMOCĄ RÓŻNYCH UKŁADÓW POŁĄCZEŃ
  W związku z tym, Ĺźe w pojazdach trakcyjnych znajduje się kilka silnikĂłw istnieje moĹźliwość tworzenia układĂłw, ktĂłre powodują, Ĺźe napięcia przypadające na silnik są róşne w zaleĹźności od układu połączenia.


  Na powyĹźszym rysunku pokazane są moĹźliwe układy połączeń silnikĂłw trakcyjnych pojazdu czterosilnikowego.
  W układzie szeregowym wszystkie silniki połączone są ze sobą szeregowo. Taki układ powoduje, Ĺźe napięcie przypadające na silnik będzie wynosiło 1/4 napięcia sieci. Prąd przepływający przez kaĹźdy silnik będzie taki sam jak w całym obwodzie głównym.
  W układzie szeregowo-rĂłwnoległym silniki są podzielone na grupy. W jednej grupie znajdują się dwa silniki połączone ze sobą szeregowo. W związku z tym napięcie przypadające na silnik w kaĹźdej z dwĂłch grup wyniesie 1/2 napięcia sieci. Natomiast prąd w obwodzie głównym będzie sumą prądĂłw płynących przez kaĹźdą z grup.
  W układzie rĂłwnoległym kaĹźdy silnik włączony jest osobno, w związku z tym istnieją cztery gałęzie. Napięcie przypadające na silnik będzie takie samo jak napięcie sieci zasilającej. Prąd w obwodzie głównym będzie rĂłwny sumie prądĂłw płynących w kaĹźdej gałęzi. Taki układ wymusza oczywiście największy pobĂłr prądu.

  Tyle teorii. W praktyce stosuje się regulację prędkości obrotowej przez zmianę układĂłw połączeń, jednak w inny sposĂłb, gdyĹź trudno Ĺźeby regulować prędkość pojazdu za pomocą trzech układĂłw.
  Najpierw małe wyjaśnienie. W niektĂłrych pojazdach silniki trakcyjne łączy się w grupy, np. po dwa silniki połączone na stałe szeregowo tworzą grupę. Takie rozwiązanie w sytuacjach awaryjnych sprawia kłopot, poniewaĹź w czasie awarii jednego z silnikĂłw trzeba odłączyć całą grupę, w ktĂłrej znajduje się silnik uszkodzony i sprawny. Czasem jedną grupę stanowią dwa silniki, jednak moĹźna je rozłączyć - nie są połączone na stałe. W innych przypadkach nie stosuje się grup i silniki pracują niezaleĹźnie. W przypadku stosowania grup jako dane połączenie uznaje się wzajemnie połączenie ze sobą grup. Przykładowo w lokomotywie EU07 silniki połączone są w grupy, w ktĂłrych jedną grupę stanowią dwa silniki połączone szeregowo. W związku z tym, Ĺźe jest to lokomotywa czterosilnikowa i posiada dwie grupy istnieć mogą tylko dwa układy połączeń. Pierwszy z nich to szeregowy (układ a na rysunku powyĹźej), w ktĂłrym grupy połączone są ze sobą szeregowo. W drugim układzie, mimo Ĺźe dwa silniki (tworzące jedną grupę) połączone są ze sobą szeregowo to układ nazywany jest rĂłwnoległym (układ b na rysunku powyĹźej - nie patrz na podpis rysunku), poniewaĹź grupy połączone są ze sobą rĂłwnolegle. W przypadku, gdy silniki pracują niezaleĹźnie połączenie rĂłwnoległe występuje wĂłwczas, gdy wszystkie silniki połączone są ze sobą rĂłwnolegle (układ c na rysunku powyĹźej). W trakcji elektrycznej systemu 3000 V nie ma moĹźliwości, aby silniki były połączone ze sobą rĂłwnolegle, poniewaĹź wszystkie silniki mogą pracować na maksymalnym napięciu 1500 V. Rozwiązanie pokazane na rysunku c stosowane jest natomiast niekiedy w lokomotywach spalinowych z przekładnią elektryczną, gdzie napięcia znamionowe są niĹźsze.
  W związku z tym istnieje pewna rozbieĹźność i podsumowując:
- w pojazdach trakcyjnych, w których stosuje się grupy połączeń między silnikami jako dane oznaczenie układu przyjmuje się wzajemne połączenie ze sobą grup;
- w pojazdach trakcyjnych, w których wszystkie silniki pracują niezależnie jako dane oznaczenie układu przyjmuje się wzajemnie połączenie ze sobą silników.

  JeĹźeli chcesz bliĹźej zapoznać się z układami połączeń silnikĂłw w lokomotywie sześciosilnikowej kliknij tutaj.

  W praktyce dość często stosuje się kilka sposobĂłw zmian prędkości obrotowej jednocześnie. Przykładowo rozruch lokomotywy elektrycznej czterosilnikowej EU07, w ktĂłrej dwa silniki szeregowo połączone tworzą grupę rozpoczyna się następująco: na początku obie grupy połączone są ze sobą szeregowo, a wraz z kaĹźdą grupą włączone są szeregowo rezystory rozruchowe. Maszynista przestawiając nastawnik jazdy na kolejne pozycje wyłącza rezystory z układu przez co napięcie przypadające na silniki rośnie. Po wyłączeniu wszystkich rezystorĂłw napięcie przypadające na silnik w połączeniu szeregowym wynosi 1/4 napięcia zasilania. Gdy maszynista przestawi nastawnik na kolejną pozycję układ zostaje przełączony i zostają załączone rezystory dla tego układu połączeń. Grupy silnikĂłw zostają połączone rĂłwnolegle, a wraz z kaĹźdą grupą rezystory rozruchowe. Przestawianie nastawnika na kolejne pozycje powoduje wyłączanie rezystorĂłw z obwodu. Napięcie przypadające na silnik rośnie, a w połączeniu bezoporowym wyniesie 1/2 napięcia zasilania. Dalsze zwiększanie prędkości osiąga się stosując bocznikowanie uzwojeń wzbudzenia. W lokomotywie EU07 jest 6 stopni bocznikowania. Bocznikowanie uzwojeń moĹźna stosować tylko na pozycjach bezoporowych (istnieje blokada, ktĂłra wyklucza stosowanie bocznikowania w czasie załączonych rezystorĂłw rozruchowych. Jest to spowodowane tym, Ĺźe rezystory służą do rozruchu, a nie do nabierania duĹźej prędkości, poza tym zbyt wczesne zastosowanie bocznikowania osłabi moment obrotowy co moĹźe spowodować gwałtowny pobĂłr prądu).

  JeĹźeli chcesz się dowiedzieć więcej o innych maszynach elektrycznych kliknij ---> maszyny elektryczne.

SILNIK SZEREGOWY | SILNIK BOCZNIKOWY | SILNIK SZEREGOWO-BOCZNIKOWY | SILNIK JEDNOFAZOWY KOMUTATOROWY SILNIK NA PRĄD TĘTNIĄCY | SILNIK TRÓJFAZOWY ASYNCHRONICZNY | REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ - INNY RODZAJ PRĄDU BUDOWA SILNIKA SZEREGOWEGO | KONSERWACJA I NAPRAWA SILNIKA | ZASILANIE SILNIKÓW

Poniżej znajdują się odnośniki do poszczególnych zagadnień związanych z trakcją elektryczną

SILNIKI TRAKCYJNE | OGÓLNE INFORMACJE | SYSTEMY ZASILANIA | SIEĆ TRAKCYJNA | PODSTACJE TRAKCYJNE AUTOMATYKA I STEROWANIE | ELEKTRYFIKACJA I EKSPLOATACJA | HAMOWANIE ELEKTRYCZNE