TRAKCJA ELEKTRYCZNA

SILNIKI TRAKCYJNE

SILNIK JEDNOFAZOWY KOMUTATOROWY

  Gdyby silnik komutatorowy prądu stałego podłączyć do napięcia przemiennego to mógłby on pracować podobnie jak przy zasilaniu prądem stałym, ponieważ jednoczesne zmiany prądu w uzwojeniu wzbudzenia jak i wirnika nie wpływają na kierunek obrotów. Jednak przy takiej pracy występuje duże samoindukcja uzwojeń wirnika jak i stojana przez co współczynnik mocy by się obniżył. Straty na skutek prądów wirowych oraz pętli histerezy wystąpiły by zarówno w wirniku jak i stojanie przez co obniżyłby się także współczynnik sprawności. W związku z tym, w trakcji elektrycznej zasilanie prądem przemiennym silnika prądu stałego nie ma sensu i jest nieekonomiczne. Konstrukcja komutatorowych silników prądu przemiennego nieco różni się od tych na prąd stały. Straty na skutek prądów wirowych możemy minimalizować wykonując rdzeń z pakietu blach, natomiast SEM samoindukcji zmniejszyć można dzięki uzwojeniu kompensacyjnemu umieszczonemu w stojanie i połączonemu w szereg z wirnikiem, które kompensuje SEM indukowaną w wirniku.

KOMUTACJA
  Podczas pracy silnika prądu przemiennego, w czasie komutacji indukują się następujące siły elektromotoryczne:
1. SEM samoindukcji - e₁, która wywołana jest przez prąd komutowany i jest ona proporcjonalna do prędkości obrotowej i prądu (jest w fazie z tym prądem).
2. SEM ruchu obrotowego - e₂, która powstaje na skutek przesuwania się zwartego zwoju prostopadle do nieskompensowanego strumienia. Jest ona proporcjonalna do prędkości obrotowej i jest w fazie z prądem.
3. SEM transformacji - e_t, która jest proporcjonalna do strumienia, niezależna od prędkości i opóźnia się w stosunku do prądu i strumienia o kąt 90^o.


  Siły elektromotoryczne e₁ i e₂ występują także w silnikach prądu stałego, natomiast siła e_t występuje tylko w silnikach prądu przemiennego.
  Ponieważ siły e₁ i e₂ są w fazie z prądem i strumieniem magnetycznym można je dodać algebraicznie. Na rysunku sumą tych sił jest siła e_k. Siła e_t opóźnia się względem strumienia i prądu o kąt 90^o. Siłę tą można dodać do siły e_k geometrycznie. Sumą geometryczną tych sił jest siła wypadkowa e, która jest źródłem dość dużych prądów płynących w zwartych cewkach silnika. Wpływa to niekorzystnie na pracę silnika i dlatego siła ta musi być kompensowana. Do kompensowania tej siły stosuje się uzwojenie kompensacyjne, które wytwarza siłę elektromotoryczną przeciwną sile elektromotorycznej e.

  Aby kompensacja była skuteczna wartość F_k musi być równa:

  Skuteczność uzwojeń kompensacyjnych uzależniona jest od prędkości obrotowej oraz częstotliwości sieci, co widać ze wzoru. Ponieważ częstotliwość jest stała, więc skuteczność kompensowania zależy od zmieniającej się w prędkości. W chwili ruszania wartość prądu jest duża, natomiast wartość kompensującej siły elektromotorycznej zbyt mała aby skutecznie eliminować składową e, ponieważ prędkość jest niska. Tak więc kompensacja w chwili ruszania jest bliska zeru. Natomiast całkowita kompensacja występuje tylko przy określonej prędkości. W związku z tym, dla poprawienia warunków komutacji obniżono częstotliwość zasilania silników trakcyjnych - system obniżonej częstotliwości.

CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW
  Silniki komutatorowe prądu przemiennego niewiele różnią się w budowie od silników prądu stałego, jednak w czasie przepływu prądu przemiennego powstają zjawiska, które nie wystąpią przy przepływie prądu stałego. Zjawiska te są bardziej złożone i nie będę ich tutaj omawiał. Podam kilka wzorów dotyczących podstawowych parametrów silników komutatorowych prądu przemiennego:

  Wartość prądu można obliczyć ze wzoru:


  Wartość prądu przepływającego przez silnik zależy od napięcia w sieci zasilającej, siły przeciwelektromotorycznej oraz impedancji. Impedancja jest zależna od rezystancji obwodu silnika oraz od induktancji, która wywołana jest oddziaływaniem przemiennego pola magnetycznego.

  Siła przeciwelektromotoryczna indukowana w silniku opisywana jest wzorem:


  Wartość siły przeciwelektromotorycznej zależy od strumienia wzbudzenia, prędkości obrotowej oraz konstrukcji silnika (liczba gałęzi równoległych, liczba par biegunów, liczba prętów uzwojenia).

  Prędkość obrotowa wyrażona jest wzorem:


  Prędkość obrotowa silnika zależy od napięcia zasilania, strumienia wzbudzenia i spadku napięcia w silniku. Zależność ta jest podobna jak w silnikach prądu stałego, jednak prędkość obrotową można łatwo zmieniać stosując transformator trakcyjny z regulowanymi zaczepami.

  Wartość chwilowa momentu obrotowego jest proporcjonalna do iloczynu wartości chwilowych strumienia i prądu i wynosi:


  Jeśli kąt przesunięcia między prądem, a strumieniem jest równy 0 to wartość średnia wyniesie:


  W praktyce jednak występują straty magnetyczne i kąt przesunięcia między prądem a strumieniem nie wynosi 0.

  Gdy prąd jest sinusoidalny to wartość średnia momentu obrotowego to:


  Wartość średnia momentu obrotowego jest proporcjonalna do iloczynu wartości skutecznych prądu i strumienia.

  Dla przykładu pokaże jak wygląda schemat połączeń szeregowego silnika komutatorowego prądu przemiennego oraz jego charakterystyka.



 Aby sprawność silnika była jak największa w granicach 0,95-0,97 buduje się silniki o małej szczelinie między wirnikiem, a stojanem, o dużej wartości prędkości obrotowych oraz stosuje się uzwojenia kompensacyjne. Najniższy współczynnik mocy jest podczas rozruchu.
Silniki jednofazowe komutatorowe możemy podzielić na szeregowe i bocznikowe - jak w przypadku prądu stałego oraz na repulsyjne. Ze względu na to, że strona ma charakter kolejowy, a w polskiej trakcji stosowane są silniki prądu stałego nie będę głębiej wchodził w zagadnienia silników prądu przemiennego.

Zalety silnika jednofazowego komutatorowego:
1.Ekonomiczna i płynna regulacja prędkości obrotowej w szerokich granicach.
2.Tani w eksploatacji.
Wady silnika jednofazowego komutatorowego:
1.Niski współczynnik mocy podczas rozruchu.
2.Mniejsza sprawność niż w przypadku silnika prądu stałego.
3.W silniku powstają siły elektromotoryczne, które trzeba kompensować stosując dodatkowe uzwojenie kompensacyjne oraz zmniejszając częstotliwość co komplikuje system zasilania.
4.Słabszy moment obrotowy podczas rozruchu.
5.Droższy i bardziej skomplikowany w budowie.

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

SILNIK SZEREGOWY | SILNIK BOCZNIKOWY | SILNIK SZEREGOWO-BOCZNIKOWY | SILNIK NA PRĄD TĘTNIĄCY | SILNIK TRÓJFAZOWY ASYNCHRONICZNY REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ - PRĄD STAŁY | 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