TRAKCJA ELEKTRYCZNA

SILNIKI TRAKCYJNE

REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO

  Znając wzór na prędkość obrotową i znając zasadę działania silnika możemy prowadzić rozważania na temat regulacji prędkości obrotowej silników trakcyjnych. Pomijając spadek napięcia w wirniku wiadomo, że prędkość obrotowa silnika zmienia się wg następującego wzoru:


  Patrząc na wzór widać, że obroty można zmieniać regulując napięcie na zaciskach silnika, albo też strumień wzbudzenia. W pojazdach na prąd stały prędkość obrotową regulować można włączając rezystory rozruchowe szeregowo w obwód wirnika, stosując tyrystorowe regulatory napięcia, bocznikując uzwojenie wzbudzenia lub stosować różne połączenia silników trakcyjnych. W praktyce, w pojazdach trakcyjnych stosowane są wszystkie metody jednocześnie w określonym układzie regulacji.

A. REGULACJA REZYSTOROWA
  Regulacja rezystorowa polega na tym, że prędkość obrotową silników regulujemy włączając lub wyłączając poszczególne grupy rezystorów, które powodują dodatkowe spadki napięcia w obwodzie silników. Wiadomą rzeczą jest, że im więcej tych rezystorów w obwodzie tym spadek napięcia będzie większy, więc podczas rozruchu lokomotywy, rezystorów włączonych w obwód będzie dużo. Rozruch lokomotywy więc będzie polegał na tym, że wyłączane będą poszczególne grupy rezystorów i w ten sposób napięcie doprowadzone do silnika będzie rosło. Podczas rozruchu rezystory rozruchowe się bardzo nagrzewają i dlatego muszą być chłodzone. Stosuje się przewietrzanie obce - za pomocą wentylatorów oporów rozruchowych (lokomotywy elektryczne) lub przewietrzanie naturalne wykorzystując powietrze atmosferyczne (elektryczne zespoły trakcyjne). Regulacja rezystorowa jest nieekonomiczna ponieważ powstają straty cieplne, które nie są w żaden sposób wykorzystane, dodatkowo trzeba stosować wentylatory (w przypadku lokomotyw elektrycznych).

SILNIK SZEREGOWY

  Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorów (oporów) rozruchowych z silnikiem szeregowym:


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


  Ponieważ 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 rezystorów rozruchowych. W związku z tym można przyjąć, że prąd obciążenia jest w pewnych granicach na stałym poziomie, więc spadek napięcia w obwodzie głównym (I * r, gdzie r = r_a + r_f) jest także na stałym poziomie.

  Prędkość obrotowa silnika szeregowego będzie się zmieniała według następującej zależności:


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

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


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

SILNIK BOCZNIKOWY

    Na rysunku przedstawiony jest układ połączeń rezystorów (oporów) rozruchowych z silnikiem bocznikowym:


  Włączone szeregowo z obwodem wirnika rezystory będą powodowały, że 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 można przyjąć, że jest stała w pewnych granicach. W związku z tym spadek napięcia w obwodzie głównym (I * r_a) jest także na stałym poziomie.


  W miarę zmniejszania się rezystancji prędkość obrotowa będzie rosła.

  Stosunek obrotów zmienianych n` do obrotów 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, którymi zwiększa się napięcie doprowadzane do wirnika zmniejszając wartość rezystancji. Po wyłączeniu tych rezystorów 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 regulatorów napięcia, które regulują napięcie doprowadzane do silnika w bardzo szerokich granicach. Regulator włączony jest w obwód wirnika i regulacja odbywa się przy pełnym strumieniu wzbudzenia. Regulator sterowany jest ze sterownika, którym jest nastawnik jazdy. Część regulatora włączona jest także w obwód wzbudzenia, co także zapobiega stratom na rezystorach podczas ograniczania prądu wzbudzenia - zobacz także tutaj.
Na rysunku poniżej pokazany jest schemat silnika szeregowego sterowanego przez regulator napięcia.


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

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

  Bocznikowanie przez zmniejszanie liczby zwojów polega na tym, że uzwojenie wzbudzenia jest podzielone i końcówki zwojów wyprowadzone są do zaczepów. Zaczepy są zwierane przez łączniki (np. styczniki) w zależności od potrzeby. Wówczas prąd przepływa przez część uzwojenia wzbudzenia, łącznik i w ten sposób omija część zwojów.

  Bocznikowanie przez zastosowanie bocznika polega na włączeniu równolegle do obwodu wzbudzenia bocznika indukcyjnego połączonego z rezystorami. Bocznik oraz poszczególne rezystory mają rezystancję czynną, która decyduje o stopniu osłabienia pola. Zwiększanie prędkości obrotowej polega na załączeniu obwodu bocznikowania i odpowiednie załączanie rezystorów. Wówczas prąd wypływający z wirnika silnika trakcyjnego rozgałęzia się i część popłynie przez obwód 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, które komplikują budowę silnika. Osłabienie pola poprzez stosowanie bocznika indukcyjnego daje jednak większe korzyści niż stosowanie zaczepów. W stanach nie ustalonych na skutek zmian prądu i dużej indukcyjności uzwojenia wzbudzenia prąd narastałby w nim wolniej niż w gałęzi bocznika przez co chwilowe osłabienie pola by było większe niż potrzeba. Zastosowanie bocznika o dużej indukcyjności powoduje, że prądy w gałęzi bocznika i uzwojeniu wzbudzenia ustalają się równocześnie.
  Wadą bocznikowania jest obniżenie się momentu na wale silnika, w związku z tym bocznikowanie stosuje się do regulacji prędkości a nie do rozruchu. Bardzo ważne jest także, aby nie zbocznikować całkowicie uzwojenia wzbudzenia bo doprowadzi to do rozbiegania się silnika i nawet zniszczenia.
Zobacz także ---> rezystory i boczniki

D. REGULACJA PRĘDKOŚCI ZA POMOCĄ RÓŻNYCH UKŁADÓW POŁĄCZEŃ
  W związku z tym, że w pojazdach trakcyjnych znajduje się kilka silników istnieje możliwość tworzenia układów, które powodują, że napięcia przypadające na silnik są różne w zależności od układu połączenia.


  Na powyższym rysunku pokazane są możliwe układy połączeń silników trakcyjnych pojazdu czterosilnikowego.
  W układzie szeregowym wszystkie silniki połączone są ze sobą szeregowo. Taki układ powoduje, że napięcie przypadające na silnik będzie wynosiło 1/4 napięcia sieci. Prąd przepływający przez każdy silnik będzie taki sam jak w całym obwodzie głównym.
  W układzie szeregowo-równoległym 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 każdej z dwóch grup wyniesie 1/2 napięcia sieci. Natomiast prąd w obwodzie głównym będzie sumą prądów płynących przez każdą z grup.
  W układzie równoległym każdy 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 równy sumie prądów płynących w każdej gałęzi. Taki układ wymusza oczywiście największy pobór prądu.

  Tyle teorii. W praktyce stosuje się regulację prędkości obrotowej przez zmianę układów połączeń, jednak w inny sposób, gdyż trudno żeby regulować prędkość pojazdu za pomocą trzech układów.
  Najpierw małe wyjaśnienie. W niektórych pojazdach silniki trakcyjne łączy się w grupy, np. po dwa silniki połączone na stałe szeregowo tworzą grupę. Takie rozwiązanie w sytuacjach awaryjnych sprawia kłopot, ponieważ w czasie awarii jednego z silników trzeba odłączyć całą grupę, w której znajduje się silnik uszkodzony i sprawny. Czasem jedną grupę stanowią dwa silniki, jednak można je rozłączyć - nie są połączone na stałe. W innych przypadkach nie stosuje się grup i silniki pracują niezależnie. W przypadku stosowania grup jako dane połączenie uznaje się wzajemnie połączenie ze sobą grup. Przykładowo w lokomotywie EU07 silniki połączone są w grupy, w których jedną grupę stanowią dwa silniki połączone szeregowo. W związku z tym, że jest to lokomotywa czterosilnikowa i posiada dwie grupy istnieć mogą tylko dwa układy połączeń. Pierwszy z nich to szeregowy (układ a na rysunku powyżej), w którym grupy połączone są ze sobą szeregowo. W drugim układzie, mimo że dwa silniki (tworzące jedną grupę) połączone są ze sobą szeregowo to układ nazywany jest równoległym (układ b na rysunku powyżej - nie patrz na podpis rysunku), ponieważ grupy połączone są ze sobą równolegle. W przypadku, gdy silniki pracują niezależnie połączenie równoległe występuje wówczas, gdy wszystkie silniki połączone są ze sobą równolegle (układ c na rysunku powyżej). W trakcji elektrycznej systemu 3000 V nie ma możliwości, aby silniki były połączone ze sobą równolegle, ponieważ 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 niższe.
  W związku z tym istnieje pewna rozbieżność 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.

  Jeżeli chcesz bliżej zapoznać się z układami połączeń silników w lokomotywie sześciosilnikowej kliknij tutaj.

  W praktyce dość często stosuje się kilka sposobów zmian prędkości obrotowej jednocześnie. Przykładowo rozruch lokomotywy elektrycznej czterosilnikowej EU07, w której dwa silniki szeregowo połączone tworzą grupę rozpoczyna się następująco: na początku obie grupy połączone są ze sobą szeregowo, a wraz z każdą 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 rezystorów 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 silników zostają połączone równolegle, a wraz z każdą grupą rezystory rozruchowe. Przestawianie nastawnika na kolejne pozycje powoduje wyłączanie rezystorów 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 można stosować tylko na pozycjach bezoporowych (istnieje blokada, która wyklucza stosowanie bocznikowania w czasie załączonych rezystorów rozruchowych. Jest to spowodowane tym, że rezystory służą do rozruchu, a nie do nabierania dużej prędkości, poza tym zbyt wczesne zastosowanie bocznikowania osłabi moment obrotowy co może spowodować gwałtowny pobór prądu).

  Jeżeli 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