ZnajÄ c wzĂłr na prÄdkoĹÄ obrotowÄ i znajÄ c zasadÄ dziaĹania silnika moĹźemy prowadziÄ rozwaĹźania na temat regulacji prÄdkoĹci obrotowej silnikĂłw trakcyjnych. PomijajÄ c spadek napiÄcia w wirniku wiadomo, Ĺźe prÄdkoĹÄ obrotowa silnika zmienia siÄ wg nastÄpujÄ cego wzoru:
PatrzÄ c na wzĂłr widaÄ, Ĺźe obroty moĹźna zmieniaÄ regulujÄ c napiÄcie na zaciskach silnika, albo teĹź strumieĹ wzbudzenia.
W pojazdach na prÄ d staĹy prÄdkoĹÄ obrotowÄ regulowaÄ moĹźna wĹÄ czajÄ c rezystory rozruchowe szeregowo w obwĂłd wirnika, stosujÄ c tyrystorowe regulatory napiÄcia, bocznikujÄ c uzwojenie wzbudzenia lub stosowaÄ róşne poĹÄ czenia silnikĂłw trakcyjnych. W praktyce, w pojazdach trakcyjnych stosowane sÄ wszystkie metody jednoczeĹnie w okreĹlonym ukĹadzie regulacji.
A. REGULACJA REZYSTOROWA
Regulacja rezystorowa polega na tym, Ĺźe prÄdkoĹÄ obrotowÄ silnikĂłw regulujemy wĹÄ czajÄ c lub wyĹÄ czajÄ c poszczegĂłlne grupy rezystorĂłw, ktĂłre powodujÄ dodatkowe spadki napiÄcia w obwodzie silnikĂłw. WiadomÄ rzeczÄ jest, Ĺźe im wiÄcej tych rezystorĂłw w obwodzie tym spadek napiÄcia bÄdzie wiÄkszy, wiÄc podczas rozruchu lokomotywy, rezystorĂłw wĹÄ czonych w obwĂłd bÄdzie duĹźo. Rozruch lokomotywy wiÄc bÄdzie polegaĹ na tym, Ĺźe wyĹÄ czane bÄdÄ poszczegĂłlne grupy rezystorĂłw i w ten sposĂłb napiÄcie doprowadzone do silnika bÄdzie rosĹo. Podczas rozruchu rezystory rozruchowe siÄ bardzo nagrzewajÄ i dlatego muszÄ byÄ chĹodzone. Stosuje siÄ przewietrzanie obce - za pomocÄ wentylatorĂłw oporĂłw rozruchowych (lokomotywy elektryczne) lub przewietrzanie naturalne wykorzystujÄ c powietrze atmosferyczne (elektryczne zespoĹy trakcyjne).
Regulacja rezystorowa jest nieekonomiczna poniewaĹź powstajÄ straty cieplne, ktĂłre nie sÄ w Ĺźaden sposĂłb wykorzystane, dodatkowo trzeba stosowaÄ wentylatory (w przypadku lokomotyw elektrycznych).
SILNIK SZEREGOWY
Na rysunku przedstawiony jest ukĹad poĹÄ czeĹ rezystorĂłw (oporĂłw) rozruchowych z silnikiem szeregowym:
Szeregowo wĹÄ czone rezystory bÄdÄ powodowaĹy, Ĺźe napiÄcie na zaciskach silnika szeregowego Us bÄdzie wynosiĹo:
PoniewaĹź napiÄcie sieci U jest na staĹym poziomie, wiÄc bÄdzie siÄ zmieniaĹa tylko wartoĹÄ spadku napiÄcia na rezystorach I * R. W czasie rozruchu prÄ d obciÄ Ĺźenia zmienia siÄ od Imax do Imin. Sytuacja taka powtarza siÄ tyle razy ile jest rezystorĂłw rozruchowych. W zwiÄ zku z tym moĹźna przyjÄ Ä, Ĺźe prÄ d obciÄ Ĺźenia jest w pewnych granicach na staĹym poziomie, wiÄc spadek napiÄcia w obwodzie gĹĂłwnym (I * r, gdzie r = ra + rf) jest takĹźe na staĹym poziomie.
WartoĹÄ napiÄcia doprowadzana do zaciskĂłw silnika bÄdzie rosĹa w miarÄ zmniejszania siÄ rezystancji R. WĂłwczas wzroĹnie prÄdkoĹÄ obrotowa.
Stosunek obrotĂłw zmienianych n` do obrotĂłw znamionowych n bÄdzie wynosiĹ:
W czasie zmian prÄdkoĹci obrotowej w obwodzie wĹÄ czona jest rezystancja R, ktĂłrej wartoĹÄ decyduje o spadku napiÄcia. Przy obrotach znamionowych rezystancja ta jest wyĹÄ czona. W zwiÄ zku z tym stosunek obrotĂłw zmienianych do znamionowych jest mniejszy od 1.
SILNIK BOCZNIKOWY
Na rysunku przedstawiony jest ukĹad poĹÄ czeĹ rezystorĂłw (oporĂłw) rozruchowych z silnikiem bocznikowym:
WĹÄ czone szeregowo z obwodem wirnika rezystory bÄdÄ powodowaĹy, Ĺźe napiÄcie na zaciskach silnika bocznikowego Ub bÄdzie wynosiĹo:
WartoĹÄ napiÄcia zasilajÄ cego jest na staĹym poziomie, wiÄc zmieniaÄ siÄ bÄdzie tylko spadek napiÄcia na rezystorach R. Podobnie jak w silniku szeregowym wartoĹÄ prÄ du obciÄ Ĺźenia w czasie rozruchu zmienia siÄ od Imax do Imin, wiÄc moĹźna przyjÄ Ä, Ĺźe jest staĹa w pewnych granicach. W zwiÄ zku z tym spadek napiÄcia w obwodzie gĹĂłwnym (I * ra) jest takĹźe na staĹym poziomie.
W miarÄ zmniejszania siÄ rezystancji prÄdkoĹÄ obrotowa bÄdzie rosĹa.
Stosunek obrotĂłw zmienianych n` do obrotĂłw znamionowych n bÄdzie wynosiĹ:
Sytuacja bÄdzie analogiczna jak przy silniku szeregowym - stosunek bÄdzie mniejszy od 1.
SILNIK SZEREGOWO-BOCZNIKOWY
W silniku szeregowo-bocznikowym sÄ dwa uzwojenia: szeregowe i bocznikowe. Rozruch rozpoczyna siÄ przy wĹÄ czonych obu uzwojeniach. W obwodzie wirnika znajdujÄ siÄ rezystory, ktĂłrymi zwiÄksza siÄ napiÄcie doprowadzane do wirnika zmniejszajÄ c wartoĹÄ rezystancji. Po wyĹÄ czeniu tych rezystorĂłw prÄdkoĹÄ zwiÄksza siÄ regulujÄ c wartoĹÄ prÄ du w obwodzie wzbudzenia. ZwiÄkszajÄ c rezystancjÄ zmniejsza siÄ prÄ d wzbudzenia bocznikowego (pole wzbudzenia bocznikowego sĹabnie) i prÄdkoĹÄ roĹnie.
B. REGULACJA PRÄDKOĹCI POPRZEZ ZMIANÄ NAPIÄCIA ZASILANIA
Regulacja poprzez zmianÄ napiÄcia zasilania polega na wykorzystaniu tyrystorowych lub tranzystorowo-diodowych regulatorĂłw napiÄcia, ktĂłre regulujÄ napiÄcie doprowadzane do silnika w bardzo szerokich granicach. Regulator wĹÄ czony jest w obwĂłd wirnika i regulacja odbywa siÄ przy peĹnym strumieniu wzbudzenia. Regulator sterowany jest ze sterownika, ktĂłrym jest nastawnik jazdy. CzÄĹÄ regulatora wĹÄ czona jest takĹźe w obwĂłd wzbudzenia, co takĹźe zapobiega stratom na rezystorach podczas ograniczania prÄ du wzbudzenia - zobacz takĹźe tutaj.
Na rysunku poniĹźej pokazany jest schemat silnika szeregowego sterowanego przez regulator napiÄcia.
Sterowanie energoelektroniczne jest ekonomiczne poniewaĹź nie wystÄpujÄ straty energii jak w przypadku rezystorĂłw rozruchowych. Niestety pojazdy PKP w zdecydowanej wiÄkszoĹci wyposaĹźone sÄ w rozruch oporowy co wpĹywa na ekonomikÄ eksploatacji, co gorsza - nawet lokomotywy po naprawach gĹĂłwnych sÄ zaopatrywane w stary i wysĹuĹźony rozruch rezystorowy. Najgorszym tego przykĹadem jest lokomotywa ET22-2000, ktĂłra zostaĹa gruntownie zmodernizowana w 2004 roku, posiada wiele nowoczesnych rozwiÄ zaĹ, jednak mankamentem jest pozostawienie rozruchu rezystorowego (na Ĺźyczenie wĹaĹciciela pojazdu - PKP Cargo). Tylko niewielka czÄĹÄ pojazdĂłw trakcyjnych PKP posiada obwĂłd gĹĂłwny wyposaĹźony w energoelektroniczny regulator prÄdkoĹci obrotowej - gĹĂłwnie lokomotywy EM10.
C. BOCZNIKOWANIE
Innym sposobem regulacji prÄdkoĹci obrotowej jest osĹabienie pola biegunĂłw gĹĂłwnych. W silnikach szeregowych moĹźna to zrobiÄ na dwa sposoby - przez bocznikowanie uzwojeĹ lub odĹÄ czanie okreĹlonej liczby zwojĂłw uzwojenia wzbudzenia. W silnikach bocznikowych moĹźna stosowaÄ jeszcze regulacjÄ prÄ du wzbudzenia przez rezystor lub wykorzystujÄ c energoelektroniczny regulator prÄ du wzbudzenia.
Bocznikowanie przez zmniejszanie liczby zwojĂłw polega na tym, Ĺźe uzwojenie wzbudzenia jest podzielone i koĹcĂłwki zwojĂłw wyprowadzone sÄ do zaczepĂłw. Zaczepy sÄ zwierane przez ĹÄ czniki (np. styczniki) w zaleĹźnoĹci od potrzeby. WĂłwczas prÄ d przepĹywa przez czÄĹÄ uzwojenia wzbudzenia, ĹÄ cznik i w ten sposĂłb omija czÄĹÄ zwojĂłw.
Bocznikowanie przez zastosowanie bocznika polega na wĹÄ czeniu rĂłwnolegle do obwodu wzbudzenia bocznika indukcyjnego poĹÄ czonego z rezystorami. Bocznik oraz poszczegĂłlne rezystory majÄ rezystancjÄ czynnÄ , ktĂłra decyduje o stopniu osĹabienia pola. ZwiÄkszanie prÄdkoĹci obrotowej polega na zaĹÄ czeniu obwodu bocznikowania i odpowiednie zaĹÄ czanie rezystorĂłw. WĂłwczas prÄ d wypĹywajÄ cy z wirnika silnika trakcyjnego rozgaĹÄzia siÄ i czÄĹÄ popĹynie przez obwĂłd wzbudzenia, a czÄĹÄ przez bocznik indukcyjny i rezystory. Na skutek tego prÄ d pĹynÄ cy w uzwojeniu wzbudzenia osĹabnie i zmniejszy siÄ strumieĹ magnetyczny.
Bocznikowanie uzwojeĹ jest metodÄ ekonomicznÄ w eksploatacji, jednak zjawiska jakie zachodzÄ przy osĹabionym polu wymuszajÄ stosowanie dodatkowych uzwojeĹ kompensacyjnych, ktĂłre komplikujÄ budowÄ silnika. OsĹabienie pola poprzez stosowanie bocznika indukcyjnego daje jednak wiÄksze korzyĹci niĹź stosowanie zaczepĂłw. W stanach nie ustalonych na skutek zmian prÄ du i duĹźej indukcyjnoĹci uzwojenia wzbudzenia prÄ d narastaĹby w nim wolniej niĹź w gaĹÄzi bocznika przez co chwilowe osĹabienie pola by byĹo wiÄksze niĹź potrzeba. Zastosowanie bocznika o duĹźej indukcyjnoĹci powoduje, Ĺźe prÄ dy w gaĹÄzi bocznika i uzwojeniu wzbudzenia ustalajÄ siÄ rĂłwnoczeĹnie.
WadÄ bocznikowania jest obniĹźenie siÄ momentu na wale silnika, w zwiÄ zku z tym bocznikowanie stosuje siÄ do regulacji prÄdkoĹci a nie do rozruchu. Bardzo waĹźne jest takĹźe, aby nie zbocznikowaÄ caĹkowicie uzwojenia wzbudzenia bo doprowadzi to do rozbiegania siÄ silnika i nawet zniszczenia.
Zobacz takĹźe ---> rezystory i boczniki
D. REGULACJA PRÄDKOĹCI ZA POMOCÄ RĂĹťNYCH UKĹADĂW POĹÄCZEĹ
W zwiÄ zku z tym, Ĺźe w pojazdach trakcyjnych znajduje siÄ kilka silnikĂłw istnieje moĹźliwoĹÄ tworzenia ukĹadĂłw, ktĂłre powodujÄ , Ĺźe napiÄcia przypadajÄ ce na silnik sÄ róşne w zaleĹźnoĹci od ukĹadu poĹÄ czenia.
Na powyĹźszym rysunku pokazane sÄ moĹźliwe ukĹady poĹÄ czeĹ silnikĂłw trakcyjnych pojazdu czterosilnikowego. W ukĹadzie szeregowym wszystkie silniki poĹÄ czone sÄ ze sobÄ szeregowo. Taki ukĹad powoduje, Ĺźe napiÄcie przypadajÄ ce na silnik bÄdzie wynosiĹo 1/4 napiÄcia sieci. PrÄ d przepĹywajÄ cy przez kaĹźdy silnik bÄdzie taki sam jak w caĹym obwodzie gĹĂłwnym. W ukĹadzie szeregowo-rĂłwnolegĹym silniki sÄ podzielone na grupy. W jednej grupie znajdujÄ siÄ dwa silniki poĹÄ czone ze sobÄ szeregowo. W zwiÄ zku z tym napiÄcie przypadajÄ ce na silnik w kaĹźdej z dwĂłch grup wyniesie 1/2 napiÄcia sieci. Natomiast prÄ d w obwodzie gĹĂłwnym bÄdzie sumÄ prÄ dĂłw pĹynÄ cych przez kaĹźdÄ z grup. W ukĹadzie rĂłwnolegĹym kaĹźdy silnik wĹÄ czony jest osobno, w zwiÄ zku z tym istniejÄ cztery gaĹÄzie. NapiÄcie przypadajÄ ce na silnik bÄdzie takie samo jak napiÄcie sieci zasilajÄ cej. PrÄ d w obwodzie gĹĂłwnym bÄdzie rĂłwny sumie prÄ dĂłw pĹynÄ cych w kaĹźdej gaĹÄzi. Taki ukĹad wymusza oczywiĹcie najwiÄkszy pobĂłr prÄ du.
Tyle teorii. W praktyce stosuje siÄ regulacjÄ prÄdkoĹci obrotowej przez zmianÄ ukĹadĂłw poĹÄ czeĹ, jednak w inny sposĂłb, gdyĹź trudno Ĺźeby regulowaÄ prÄdkoĹÄ pojazdu za pomocÄ trzech ukĹadĂłw.
Najpierw maĹe wyjaĹnienie. W niektĂłrych pojazdach silniki trakcyjne ĹÄ czy siÄ w grupy, np. po dwa silniki poĹÄ czone na staĹe szeregowo tworzÄ grupÄ. Takie rozwiÄ zanie w sytuacjach awaryjnych sprawia kĹopot, poniewaĹź w czasie awarii jednego z silnikĂłw trzeba odĹÄ czyÄ caĹÄ grupÄ, w ktĂłrej znajduje siÄ silnik uszkodzony i sprawny. Czasem jednÄ grupÄ stanowiÄ dwa silniki, jednak moĹźna je rozĹÄ czyÄ - nie sÄ poĹÄ czone na staĹe. W innych przypadkach nie stosuje siÄ grup i silniki pracujÄ niezaleĹźnie. W przypadku stosowania grup jako dane poĹÄ czenie uznaje siÄ wzajemnie poĹÄ czenie ze sobÄ grup. PrzykĹadowo w lokomotywie EU07 silniki poĹÄ czone sÄ w grupy, w ktĂłrych jednÄ grupÄ stanowiÄ dwa silniki poĹÄ czone szeregowo. W zwiÄ zku z tym, Ĺźe jest to lokomotywa czterosilnikowa i posiada dwie grupy istnieÄ mogÄ tylko dwa ukĹady poĹÄ czeĹ. Pierwszy z nich to szeregowy (ukĹad a na rysunku powyĹźej), w ktĂłrym grupy poĹÄ czone sÄ ze sobÄ szeregowo. W drugim ukĹadzie, mimo Ĺźe dwa silniki (tworzÄ ce jednÄ grupÄ) poĹÄ czone sÄ ze sobÄ szeregowo to ukĹad nazywany jest rĂłwnolegĹym (ukĹad b na rysunku powyĹźej - nie patrz na podpis rysunku), poniewaĹź grupy poĹÄ czone sÄ ze sobÄ rĂłwnolegle. W przypadku, gdy silniki pracujÄ niezaleĹźnie poĹÄ czenie rĂłwnolegĹe wystÄpuje wĂłwczas, gdy wszystkie silniki poĹÄ czone sÄ ze sobÄ rĂłwnolegle (ukĹad c na rysunku powyĹźej). W trakcji elektrycznej systemu 3000 V nie ma moĹźliwoĹci, aby silniki byĹy poĹÄ czone ze sobÄ rĂłwnolegle, poniewaĹź wszystkie silniki mogÄ pracowaÄ na maksymalnym napiÄciu 1500 V. RozwiÄ zanie pokazane na rysunku c stosowane jest natomiast niekiedy w lokomotywach spalinowych z przekĹadniÄ elektrycznÄ , gdzie napiÄcia znamionowe sÄ niĹźsze.
W zwiÄ zku z tym istnieje pewna rozbieĹźnoĹÄ i podsumowujÄ c:
- w pojazdach trakcyjnych, w ktĂłrych stosuje siÄ grupy poĹÄ czeĹ miÄdzy silnikami jako dane oznaczenie ukĹadu przyjmuje siÄ wzajemne poĹÄ czenie ze sobÄ grup;
- w pojazdach trakcyjnych, w ktĂłrych wszystkie silniki pracujÄ niezaleĹźnie jako dane oznaczenie ukĹadu przyjmuje siÄ wzajemnie poĹÄ czenie ze sobÄ silnikĂłw.
JeĹźeli chcesz bliĹźej zapoznaÄ siÄ z ukĹadami poĹÄ czeĹ silnikĂłw w lokomotywie szeĹciosilnikowej kliknij tutaj.
W praktyce doĹÄ czÄsto stosuje siÄ kilka sposobĂłw zmian prÄdkoĹci obrotowej jednoczeĹnie. PrzykĹadowo rozruch lokomotywy elektrycznej czterosilnikowej EU07, w ktĂłrej dwa silniki szeregowo poĹÄ czone tworzÄ grupÄ rozpoczyna siÄ nastÄpujÄ co: na poczÄ tku obie grupy poĹÄ czone sÄ ze sobÄ szeregowo, a wraz z kaĹźdÄ grupÄ wĹÄ czone sÄ szeregowo rezystory rozruchowe. Maszynista przestawiajÄ c nastawnik jazdy na kolejne pozycje wyĹÄ cza rezystory z ukĹadu przez co napiÄcie przypadajÄ ce na silniki roĹnie. Po wyĹÄ czeniu wszystkich rezystorĂłw napiÄcie przypadajÄ ce na silnik w poĹÄ czeniu szeregowym wynosi 1/4 napiÄcia zasilania. Gdy maszynista przestawi nastawnik na kolejnÄ pozycjÄ ukĹad zostaje przeĹÄ czony i zostajÄ zaĹÄ czone rezystory dla tego ukĹadu poĹÄ czeĹ. Grupy silnikĂłw zostajÄ poĹÄ czone rĂłwnolegle, a wraz z kaĹźdÄ grupÄ rezystory rozruchowe. Przestawianie nastawnika na kolejne pozycje powoduje wyĹÄ czanie rezystorĂłw z obwodu. NapiÄcie przypadajÄ ce na silnik roĹnie, a w poĹÄ czeniu bezoporowym wyniesie 1/2 napiÄcia zasilania. Dalsze zwiÄkszanie prÄdkoĹci osiÄ ga siÄ stosujÄ c bocznikowanie uzwojeĹ wzbudzenia. W lokomotywie EU07 jest 6 stopni bocznikowania. Bocznikowanie uzwojeĹ moĹźna stosowaÄ tylko na pozycjach bezoporowych (istnieje blokada, ktĂłra wyklucza stosowanie bocznikowania w czasie zaĹÄ czonych rezystorĂłw rozruchowych. Jest to spowodowane tym, Ĺźe rezystory sĹuĹźÄ do rozruchu, a nie do nabierania duĹźej prÄdkoĹci, poza tym zbyt wczesne zastosowanie bocznikowania osĹabi moment obrotowy co moĹźe spowodowaÄ gwaĹtowny pobĂłr prÄ du).
JeĹźeli chcesz siÄ dowiedzieÄ wiÄcej o innych maszynach elektrycznych kliknij ---> maszyny elektryczne.