TRAKCJA ELEKTRYCZNA

SILNIKI TRAKCYJNE

SILNIK TRÓJFAZOWY ASYNCHRONICZNY

  Jednym z coraz częściej stosowanych silników trakcyjnych jest silnik trójfazowy asynchroniczny (indukcyjny). Silnik ten zasilany jest z przekształtnika umieszczonego w pojeździe trakcyjnym. Budowa silnika asynchronicznego jest prosta, w związku z tym silnik ten jest tani, ale nie to decyduje on jego popularności. Silniki te mają dobre właściwości ruchowe sprawdzające się w trakcji, a obecnie regulacja ich prędkości obrotowej jest łatwa dzięki postępowi w dziedzinie energoelektroniki.

BUDOWA I DZIAŁANIE
Budowa

  Silniki asynchroniczne najczęściej buduje się jako trójfazowe. Stojan maszyny jest zasilany z sieci trójfazowej (w trakcji z przekształtnika prądu). W zależności od rodzaju wirnika rozróżnia się silniki klatkowe i pierścieniowe. Jeżeli wirnik jest wykonany w postaci prętów zwartych z obu końców pierścieniami (nie mylić z pierścieniami ślizgowymi) tworząc obwód zamknięty (w kształcie klatki) to silnik nazywany klatkowym. Natomiast gdy uzwojenia wirnika z jednej strony są ze sobą połączone (w gwiazdę), a z drugiej strony ich końce dołączone są do pierścieni ślizgowych umieszczonych na wale wirnika to silnik jest pierścieniowy. Wówczas istnieje możliwość włączenia w obwód wirnika dodatkowej rezystancji co daje dodatkowe możliwości rozruchu. W trakcji kolejowej jednak stosuje się głównie silniki klatkowe.

Działanie

  Jeśli stojan silnika zostanie zasilony to w jego uzwojeniach popłyną prądy, które wytworzą wirujące pole magnetyczne o wartości:


  Prędkość tego pola (prędkość synchroniczna) jest zależna od częstotliwości zasilania i od liczby par biegunów. Wirujące pole zacznie przecinać pręty wirnika i zgodnie ze zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w uzwojeniu wirnika zaindukuje się siła elektromotoryczna (stąd jedna z nazw - silnik indukcyjny) o wartości:


  Wartość siły elektromotorycznej zależy od konstrukcji wirnika i czynników oddziaływujących na jego uzwojenia. Zarówno częstotliwość jak i strumień magnetyczny zmieniają się w czasie pracy maszyny. Jako częstotliwość należy rozumieć taką częstotliwość z jaką przecinane są pręty uzwojenia. W czasie, gdy wirnik jest jeszcze nieruchomy, częstotliwość ta jest równa częstotliwości prądu zasilającego stojan.
  Jeżeli uzwojenia wirnika zostaną zwarte (w silniku klatkowym są zwarte na stałe) to w jego uzwojeniach popłynie prąd. Wirujące pole magnetyczne wytworzone przez uzwojenie stojana zacznie oddziaływać na uzwojenie wirnika, w którym płynie i zostanie wytworzony moment elektromagnetyczny. Jeżeli moment ten będzie na tyle duży żeby pokonać opory tarcia (moment hamujący, lub inaczej moment obciążenia) to wirnik zacznie się obracać. Moment w chwili ruszania wirnika nazywany jest momentem rozruchowym i aby wirnik zaczął się obracać moment rozruchowy musi być większy od momentu obciążenia. Kierunek obracania się wirnika jest zgodny z kierunkiem wirowania pola magnetycznego stojana.
Jak już wspomniałem wartość siły elektromotorycznej (a więc i prądu) zależy od częstotliwości z jaką pole stojana przecina uzwojenia wirnika. Jeżeli wirnik zacznie się obracać i nabierać prędkości to przy stałej częstotliwości zasilania, częstotliwość przecinania uzwojeń wirnika będzie się zmniejszała (maleje różnica między prędkością wirowania pola stojana a prędkością obrotową wirnika). W czasie pracy, przy stałym momencie obciążenia, począwszy od rozruchu wirnik dąży do uzyskania prędkości synchronicznej (prędkości z jaką wiruje pole stojana). Jeśli więc częstotliwość przecinania uzwojeń wirnika będzie malała to zmaleje siła elektromotoryczna, a w konsekwencji zmaleje prąd i moment elektromagnetyczny. Przy prędkości bliskiej prędkości synchronicznej moment jest tak mały, że wystarcza jedynie do pokonania oporów tarcia i wirnik nie jest w stanie zwiększać prędkości i nigdy nie osiąga prędkości synchronicznej (stąd druga z nazw - silnik asynchroniczny).

  Omówione wcześniej zjawiska opisywane są za pomocą wzorów. Poniżej podam i wyjaśnię poszczególne wzory.

  Jak już wspomniałem wirnik wiruje z prędkością mniejszą od prędkości synchronicznej. Wówczas w wirniku indukuje siła elektromotoryczna i płynie prąd, który wytwarza pole magnetyczne.


  Pole to jest wytwarzane przez prąd płynący w wirniku. Zgodnie z zasadą pracy maszyny pole to wytwarzane jest zawsze, a jego wartość zależy od różnicy prędkości pola stojana (prędkość synchroniczna) i prędkości obrotowej wirnika, czyli zależy od częstotliwości przecinania prętów przez pole stojana (co ma wpływ na prąd wirnika).

  Stosunek różnicy częstotliwości prądu w wirniku do częstotliwości w stojanie lub inaczej - stosunek różnicy prędkości synchronicznej i prędkości obrotowej wirnika do prędkości synchronicznej nazywany jest poślizgiem.


  Inaczej mówiąc poślizg jest to stosunek pola w wirniku do pola w stojanie. Poślizg jest bardzo ważnym parametrem każdej maszyny synchronicznej. W czasie, gdy wirnik stoi w miejscu poślizg wynosi 1, natomiast, gdyby wirnik obracał się z prędkością synchroniczną poślizg wynosiłby 0, co w praktyce przy pracy silnika jest niemożliwe. Poślizg w czasie pracy maszyny zawiera się w przedziale 1 < s < 0. Poślizg można także wyrażać w %.


  Prędkość obrotowa wirnika wynosi:


  Prędkość wirnika zależy od prędkości synchronicznej i poślizgu.

  Częstotliwość prądu płynącego w wirniku wynosi:


  Częstotliwość prądu w wirniku zależy od prędkości pola w wirniku oraz liczby par biegunów. Ponieważ prędkość pola w wirniku jest różnicą prędkości synchronicznej i prędkości obrotowej wirnika, więc wzór można zapisać w innej postaci. Po dalszym przekształceniu dochodzimy do ostatniej postaci wzoru i analizując go widzimy, że częstotliwość prądu w wirniku jest iloczynem częstotliwości zasilania i poślizgu.

  Jak wcześniej pokazałem wartość pola w wirniku jest różnicą prędkości synchronicznej i prędkości wirującego wirnika. Wartość tą można zapisać także za pomocą innego wzoru:


  Prędkość tego pola zależy od częstotliwości prądu w wirniku i liczby par biegunów. Przekształcając kolejno wzór dochodzimy do ostatecznej postaci i widzimy, że pole wirujące względem wirnika zależy prędkości wirującego pola stojana i poślizgu.
Zarówno częstotliwość prądu w wirniku jak i prędkość pola wytwarzanego przez prąd płynący w wirniku są w stanie ustalonym małe w stosunku do częstotliwości zasilania i prędkości wirnika. Wartości te są tym mniejsze im większa jest prędkość wirowania wirnika. Im większa prędkość obrotowa wirnika tym poślizg jest mniejszy.

  Moment elektromagnetyczny powstający podczas pracy silnika jest wynikiem oddziaływania wirującego strumienia magnetycznego stojana na uzwojenie wirnika, w którym płynie prąd.


  Wartość momentu zależy od wartości strumienia wytwarzanego przez stojan i prądu w uzwojeniu wirnika.

  Jak już wcześniej wspomniałem wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu wirnika, a więc i prąd wirnika zależą od strumienia magnetycznego wytwarzanego w stojanie (patrz drugi wzór od góry). Ponieważ na strumień wpływa wartość prądu w uzwojeniach stojana, a na prąd wpływa napięcie, więc przy obniżeniu lub wzroście napięcia zasilania zmniejszy się lub zwiększy strumień magnetyczny stojana, a że ma on wpływ na prąd wirnika więc można zapisać, że moment elektromagnetyczny zależy w dużym stopniu od napięcia zasilania:


  Z tego wzoru można wywnioskować, że już przy niewielkich wahaniach napięcia wartość momentu elektromagnetycznego zmienia się dość mocno. Zależność ta jest wadą silnika asynchronicznego, ponieważ przy obniżeniu się napięcia wartość momentu może się na tyle obniżyć, że przy obciążeniu wirnik może się zatrzymać.

  Podczas przetwarzania energii elektrycznej na energię mechaniczną występują straty związane z przemianą energii. Moment użyteczny na wale wirnika jest mniejszy od wytwarzanego momentu elektromagnetycznego o moment tarcia (siła hamująca), natomiast moc na wale wirnika jest mniejsza od wytworzonej mocy o straty mechaniczne. Moment użyteczny oblicza się z zależności:


  Powyższy wzór jest słuszny, jeżeli prędkość obrotową mierzy się w obr/min.

  Moment znamionowy jest to moment jaki wytwarza maszyna przy prędkości znamionowej. Zależy on od mocy znamionowej i prędkości znamionowej wirnika.


  Maksymalny moment jaki wytwarza maszyna nazywany jest momentem krytycznym. Stosunek momentu krytycznego do momentu znamionowego nazywany jest przeciążalnością silnika.


  Przeciążalność silników indukcyjnych zwykle jest większa od 2, dzięki temu małe wahania napięcia nie powodują zatrzymania silnika, a jedynie ograniczenie prędkości.

SCHEMAT I CHARAKTERYSTYKA
Schemat

  Najprostszy schemat silnika klatkowego trójfazowego asynchronicznego przedstawiony jest poniżej.


  Uzwojenie stojana połączone jest w gwiazdę (może być połączone również w trójkąt). Uzwojenia zasilane są z sieci trójfazowej. W pojazdach trakcyjnych źródłem zasilania jest przekształtnik, który przekształca prąd stały lub jednofazowy przemienny na prąd przemienny trójfazowy.

Charakterystyka

  Poniżej przedstawiona jest charakterystyka mechaniczna silnika asynchronicznego.


  Charakterystyka mechaniczna pokazuje cechy charakterystyczne danej maszyny.
Jak widać z rysunku krzywa (granatowa) dzieli charakterystykę na dwie części. Z jednej strony w zakresie poślizgów od s = 1 do s_k krzywa unosi się, a z drugiej strony w zakresie poślizgów od s_k do s_n krzywa opada. Punktem, w którym następuje załamanie krzywej jest moment krytyczny. Jest to ważny punkt pracy maszyny.
Załóżmy, że wał wirnika jest obciążony naturalnym momentem obciążenia (tarcie, opór powietrza) oraz dodatkowym urządzeniem. Aby wirnik mógł zacząć się obracać wartość momentu rozruchowego musi być większa od momentu obciążenia (hamującego). Jeżeli moment rozruchowy będzie większy od momentu hamującego to wirnik ruszy i zacznie nabierać prędkości. Przy stałym obciążeniu na wale maszyny moment obciążenia zmienia się niewiele (np. rośnie opór wiatru). Z czasem, zgodnie z zasadą działania maszyny, w miarę wzrostu prędkości zacznie maleć moment elektromagnetyczny - będzie to się działo po osiągnięciu momentu krytycznego. Moment elektromagnetyczny w pewnej chwili zrówna się z momentem hamującym i nastanie stan równowagi (na rysunku jest to punkt przecięcia się charakterystyki z krzywą momentu obciążenia - M_h - fioletowa krzywa). Dalsze zwiększanie prędkości jest możliwe wówczas, gdy moment obciążenia się zmniejszy (np. zdjęte zostanie obciążenie wału). Wówczas prędkość obrotowa wzrośnie i wirnik będzie dążył do uzyskania prędkości synchronicznej. Ponieważ moment elektromagnetyczny będzie się zmniejszał przy pewnej prędkości będzie zbyt mały, aby dalej zwiększała się prędkość wirowania wirnika. Moment ten jedynie wystarczy na pokonanie oporów naturalnych.
Jeżeli do wału maszyny zostanie dołączone ponownie urządzenie to zwiększy się moment hamujący. Spowoduje to obniżenie się prędkości, a co za tym idzie - częstotliwość przecinania uzwojeń wirnika przez pole stojana wzrośnie. Konsekwencją tego będzie zwiększenie się siły elektromotorycznej indukowanej w wirniku, a więc i prądu. W związku z tym wzrośnie moment elektromagnetyczny. Na skutek wzrostu momentu, różnica między momentem hamującym a momentem elektromagnetycznym zmaleje i prędkość wirowania wirnika przestanie się zmniejszać. Moment obciążenia zrówna się z momentem hamującym i nastanie nowy stan równowagi, ale już przy mniejszej prędkości. Dalsze zwiększanie momentu hamującego jest możliwe do czasu, gdy moment elektromagnetyczny będzie równy momentowi krytycznemu, jednak gdy moment obciążenia zawiera się między momentem znamionowym a krytycznym to stan taki nazywany jest przeciążeniem. Długotrwale utrzymujące się przeciążenie prowadzi do przegrzania się maszyny a nawet zniszczenia, dlatego należy tego unikać.
Jeżeli maszyna pracuje w zakresie poślizgów od s_k do s_n to mówimy o pracy w zakresie stabilnym. Wtedy moment elektromagnetyczny dostosowuje się do momentu obciążenia - jest to główna cecha silnika asynchronicznego.
Jeżeli maszyna pracuje w zakresie poślizgów od s = 1 do s_k to zjawiska zachodzące podczas pracy przebiegają inaczej (niekorzystnie). Jeżeli moment obciążenia zmaleje to wzrośnie nie tylko prędkość ale i moment obrotowy (elektromagnetyczny) i po przekroczeniu momentu krytycznego maszyna zacznie pracować na drugiej części charakterystyki. Natomiast jeśli wzrośnie moment obciążenia to moment elektromagnetyczny nie będzie w stanie na tyle wzrosnąć, aby zrównać się z momentem hamującym. Prędkość zacznie maleć aż w końcu wirnik się zatrzyma. Praca, podczas której maszyna pracuje w zakresie poślizgów od s = 1 do s_k nazywana jest pracą w zakresie niestabilnym.

  Normalna praca maszyny powinna odbywać się w zakresie od s_k do s_n, ale nie zbyt blisko punktu momentu krytycznego, gdyż wzrost obciążenia spowoduje zbyt duże przeciążenie.
Sprawność silnika asynchronicznego dużej mocy wynosi (0,8 - 0,9).

Zalety silnika asynchronicznego:
1.Dopasowanie się momentu elektromagnetycznego do obciążenia.
2.Duże możliwości rozruchu i regulacji prędkości.
3.Duża przeciążalność.
4.Tani w wykonaniu.
Wady silnika asynchronicznego:
1.Duża wrażliwość na wahania napięcia w sieci zasilającej.
2.Konieczność stosowania układów przekształtnikowych w pojazdach trakcyjnych.
.
  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 - PRĄD STAŁY REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ - INNY RODZAJ PRĄDU | BUDOWA SILNIKA SZEREGOWEGO | KONSERWACJA I NAPRAWA SILNIKA | ZASILANIE SILNIKÓW

Poniżej znajdują się 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