Zastosowanie silnika elektrycznego prądu stałego - trakcja elektryczna

Jednym z licznych zastosowań silnika elektrycznego prądu stałego s silniki trakcyjne w lokomotywach, elektrycznych zespołach trakcyjnych oraz tramwajach i trolejbusach. Silnik trakcyjny to nic innego jak silnik zainstalowany w pojedzie, który napędza zestawy kołowe (1 zestaw kołowy to dwa koła zamocowane na jednej osi) tylko za pomoc przekładni mechanicznej bd jest zainstalowany bezpośrednio w osi kół (wirnik silnika jest osadzony na osi zestawu). To ostatnie rozwiązanie stosowane jest stosunkowo rzadko, ze względu na charakterystykę silnika i zwykle koła napędzane s przez silnik za pomoc układu odpowiednich sprzęgieł i przekładni.

W niniejszej pracy omówimy silniki trakcyjne stosowane w lokomotywach elektrycznych oraz elektrycznych zespołach trakcyjnych (tzw. jednostkach).

Praktycznie wszystkie pojazdy trakcyjne PKP s wyposażone w samowzbudne silniki szeregowe prądu stałego, zwykle czterobiegunowe z biegunami komutacyjnymi. Co oznacza termin "silnik szeregowy"? Oznacza to, iż uzwojenia wzbudzenia silnika (stojan) oraz uzwojenia komutacyjne stojana i twornik silnika połączone s w jeden szereg. Co oznacza termin "samowzbudny"? Wynika to już z tego, iż silnik jest szeregowy i w zasadzie gdy mówimy o silniku szeregowym - musi być on samowzbudny. Chodzi o to, że uzwojenia stojana, wytwarzające stały strumień pola, s zasilane z tego samego źródła co uzwojenia twornika (wirnik). Pewną nieścisłość w tej materii może być fakt, iż silniki w pojazdach trakcyjnych s czasami wykorzystywane do hamowania tych pojazdów i wtedy nie możemy mówić już o silniku, lecz o prądnicy. W celu zapewnienia poprawnego działania hamowania elektrodynamicznego stosuje się zwykle odpowiednie przełożenia w układzie oraz zastosowanie obcego wzbudzenia przy małych prędkościach (np. z baterii akumulatorów bd dodatkowej przetwornicy). Wtedy maszyna szeregowa może zmienić się np. w maszynę szeregowo-bocznikow obcowzbudn. Ale to s jednak szczegóły, my potraktujemy maszyny trakcyjne w pojazdach jedynie jako silniki.

Silnik szeregowy prądu stałego posiada bardzo wiele korzystnych cech, które decyduj o zastosowaniu właśnie tego rodzaju maszyny do napędu pojazdów. Po pierwsze silnik szeregowy jest mało wrażliwy na zmiany napięcia sieci i nie powoduj one gwałtownych zmian momentu obrotowego. Przy małych prędkościach wartość momentu obrotowego silnika szeregowego jest proporcjonalna do kwadratu prądu, natomiast przy większych prędkościach kątowych - proporcjonalna do prądu. Poza tym silnik szeregowy w zakresie prędkoci obrotowych od 0 do prędkoci ustalonej jest mniej przeciążony niż np. silnik bocznikowy oraz do uzyskania tej samej prędkoci pojazdu możemy zastosować silnik szeregowy o mocy mniejszej niż silnik bocznikowy. Pewnymi wadami silnika szeregowego jest duża zmienność prędkoci obrotowej podczas zmian obciążenia (np. wzniesienie) oraz możliwość tzw. rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika polega na tym, iż silnik nie obciążony cały czas zwiększa swoją prędkość obrotową, aż do krytycznego momentu przekroczenia wytrzymałoci mechanicznej, gdy ulegnie całkowitemu zniszczeniu. W czasie normalnej eksploatacji nie ma to takiego znaczenia, gdyż istnieje równowaga pomiędzy momentem przyspieszającym a hamującym, lecz stanowi poważne zagrożenie w wypadku wystąpienia poślizgu zestawów kołowych przy rozruchu. Zerwanie przyczepnoci powoduje ciągłe zwiększanie prędkoci obrotowej silnika co w połączeniu z dużą wartością prądu płynącego przez silnika powoduje powstanie bardzo niebezpiecznego zjawiska, tzw. ognia okrężnego komutatora, który w krótkim czasie spowoduje nieodwracalne zniszczenie wirnika.

Silniki elektryczne w odróżnieniu od np. silnika spalinowego maj tę pozytywne właściwości, iż s przeciążalne. Wynika to z tego, iż silnik elektryczny pobiera energię z zewnętrznego źródła, tzn. sieci trakcyjnej. Właściwie są dwa ograniczenia mocy silników elektrycznych, w tym prądu stałego - wytrzymałoć termiczna izolacji oraz poprawność komutacji. Wytrzymałość termiczna izolacji to nic innego jak dopuszczalna temperatura pracy silnika, który w czasie, gdy przez jego uzwojenia płynie prd - nagrzewa się. W przypadku krótkotrwałego przeciżenia temperatura pracy nie wzronie raczej do wartoci niedopuszczalnej, więc chwilowe ograniczenie obciżalnoci jest związane jedynie z komutacją. Przyjmuje się, że dopuszczalny prąd, który nie powoduje nieprawidłowości ze strony komutacji równa się dwukrotnej wartości prądu mocy godzinnej silnika, czyli maksymalna moc, jak silnik może osiągnąć w ciągu krótkiego okresu czasu to dwukrotna wartość mocy godzinnej. W praktyce tak projektuje się obwody elektryczne, aby maksymalny prąd jaki może popłynąć przez uzwojenia silników równał się 1,8~1,9 prądu mocy godzinnej. W przypadku przekroczenia pewnej wartości prądu płynącego przez silnik powstaje ogień okrężny na komutatorze, co jest powodem uszkodzenia silnika, a nawet pożaru lokomotywy. Z reguły jednak osiągnięcie tak dużej wartości prądu jest niemożliwe ze względu na zabezpieczenia nadmiarowe obwodów oraz wcześniejsze zerwanie przyczepnoci kół. Czy przeciżalnoć to naprawdę ważna cecha? Tak, bardzo ważna, przeanalizujmy prosty przykład. Lokomotywa ET-22 posiada sześć silników trakcyjnych typu EE541b, każdy o mocy godzinnej 520 kW. A więc moc godzinna lokomotywy jest równa 3120 kW. Jest to pokaźną moc, lecz policzmy, jak moc lokomotywa ta może osiągnąć w czasie krótkiego okresu czasu - 1,8 x 3120 kW = 5620 kW. A więc w ciągu krótkiego okresu czasu dysponujemy moc ponad 5,5 MW - to olbrzymia moc, szczególnie porównując z dowolną lokomotyw spalinow, której moc jest zawsze równa mocy znamionowej, gdyż silnik spalinowy jest nieprzeciążalny i w przypadku próby przeciżenia - spadaj jego obroty, następuje spadek napięcia prądnicy głównej, zadziałaj zabezpieczenia nadmiarowe silników trakcyjnych bd zabezpieczenia od strony Diesla.

Kolejnym omawianym zagadnieniem będzie regulacja silnika szeregowego prądu stałego, czyli sterowanie jego obciążeniem oraz prędkoci obrotów. Istniej dwa sposoby zmian prędkoci obrotowej silnika prądu stałego, wynikające ze wzoru na prędkość ktow - poprzez zmianę napięcia na jego zaciskach oraz przez zmianę strumienia pola wzbudzenia.

Zmianę napięcia na zaciskach silników możemy spowodować kilkoma sposobami, jednak najpowszechniejszą metodą, stosowaną w taborze PKP jest zastosowanie w obwodzie opornoci oraz zmiana układu połczeń silników.

Oporność w obwodzie powodowana jest włączeniem do niego szeregowo oporników rozruchowych, które ograniczaj napięcie na silnikach oraz wartość prądu płynącego przez obwód. Oporniki te s kolejno eliminowane, poprzez zwieranie ich za pomoc odpowiednich styczników, aż do uzyskania jazdy bezoporowej (wyeliminowanie wszystkich oporników). W interesie konstruktorów i użytkowników jest spowodowanie, aby jazda bezoporowa mogła być osiągnięta jak najszybciej, gdyż następuj olbrzymie straty energii w opornikach oraz występuje ich przeciążenie termiczne. W celu ograniczenia nagrzewania się oporników, stosuje się odpowiednie układy chłodzenia bloków oporowych, zwykle poprzez zainstalowanie ich pod spodem pudła lub na dachu wagonu motorowego (jednostka) oraz zastosowanie dodatkowych wentylatorów (lokomotywy). Aby wentylacja oporników przebiegała jak najsprawniej, stosuje się dość ciekawy sposób zasilania wentylatorów oporów - potencjałem, powstałym ze spadku napięć na wybranych opornikach (lokomotywa EU-07, ET-22). Spadek napięcia na oporach jest proporcjonalny do wartości prądu płynącego przez rezystory, a więc i do ciepła Joul`a, które się na nich wydziela. Powoduje to, iż wydajność wentylatorów jest regulowana w sposób naturalny - im większy płynie prd - tym wentylatory chodzą szybciej, a w przypadku gdy wyeliminujemy opory - spadek napięcia będzie się równał zero i wentylatory wyłczą się.

Zmiana układu połączeń powoduje, iż napięcia na silnikach będą podzielone w inny sposób i będą przyjmowały różne wartości. Zmiana układu odbywa się dzięki zastosowaniu odpowiednich styczników, bd zespolonych nastawników grupowych (w przypadku większej iloci silników). Jak wiemy - cztery silniki trakcyjne możemy połączyć w trzy układy - szeregowy (wszystkie silniki w szeregu), szeregowo-równoległy (dwie grupy po dwa silniki pracujące w szeregu połączone równolegle) lub równoległy (wszystkie silniki pracujące równolegle). Ze względów konstrukcyjnych stosuje się tzw. grupy dwusilnikowe, to znaczy, że po dwa silniki pracujące w szeregu tworzą grupę. W takim wypadku cztery silniki możemy połączyć w dwa układy - szeregowy i równoległy. W pierwszym przypadku napięcie na każdym silniku (przy napięciu sieci 3000V) będzie wynosiło 750V, w drugim - 1500V. W przypadku lokomotywy szecioosiowej (6 silników) - silniki możemy połączyć w trzy układy - szeregowy, szeregowo-równoległy (dwie grupy trzech silników połączonych w szereg połączone równolegle) oraz równoległy. Napięcia na każdym silniku będą wtedy wynosiły 500V (szeregowe), 1000V (szeregowo-równolegle) oraz 1500V (równoległe).

Regulację prędkoci poprzez zmianę wzbudzenia uzyskuje się po uzyskaniu jazdy bezoporowej w określonym układzie. Jak wiemy, ze wzoru na prędkość ktow silnika prędkość ta jest proporcjonalna do napięcia oraz odwrotnie proporcjonalna do strumienia pola. A więc wzrost prędkoci możemy uzyskać poprzez osłabienie strumienia pola, co dokonuje się poprzez zbocznikowanie uzwojeń wzbudzenia za pomoc odpowiednich rezystorów. Podczas bocznikowania następuje wzrost prędkoci obrotowej silnika kosztem momentu obrotowego. Zazwyczaj stosuje się kilka stopni osłabiania strumienia pola, poprzez umieszczenie w obwodzie bocznikowania kilku rezystorów, zwieranych kolejno za pomoc styczników. Do obwodu osłabiania pola włączona jest szeregowo oporność indukcyjna (tzw. boczniki indukcyjne), które łagodzą wpływ gwałtownych zmian napięcia na pracę silnika, gdyż w stanie naturalnym (z pełnym wzbudzeniem) funkcję dławic spełniaj właśnie uzwojenia wzbudzenia, które zostaje bocznikowane w procesie osłabiania pola i w stanach nieustalonych funkcję tę spełniaj zastępczo właśnie boczniki indukcyjne.

Kolejnym zagadnieniem jest konieczność przystosowania silników do pracy w obydwu kierunkach wirowania. Zmianę kierunku obrotów dokonuje się bardzo prosto, poprzez zmianę kierunku prądu w uzwojeniach wzbudzenia. Urządzeniem służącym do dokonywania takiego przełączenia s tzw. nawrotniki, czyli elektropneumatyczne nastawniki przełączające odpowiednie styki.

Ostatnim problemem jest zabezpieczenie silników trakcyjnych przed uszkodzeniem i prac w stanie uszkodzonym oraz problem wystąpienia awarii. Obwód główny lokomotywy (w którym podstawowym elementem s silniki trakcyjne) jest chroniony kilkoma podstawowymi rodzajami zabezpieczeń. S to zabezpieczenia nadmiarowe, ziemnozwarciowe i napięciowe.

W skład zabezpieczeń nadmiarowych wchodzą tzw. przekaźniki nadmiarowo-prądowe, które chroni silniki przed skutkami przeciążeń. Ich zadziałanie następuje, gdy przez obwód silników popłynie prąd wyższy od prądu nastawienia przekaźnika i spowoduj otwarcie odpowiednich styczników w celu odcięcia dopływu prądu (zwykle styczników liniowych). Zabezpieczeniem nadmiarowym mogą być także bezpieczniki topikowe.

W skład zabezpieczeń ziemnozwarciowych wchodzi tzw. przekanik różnicowo-prdowy, który zabezpiecza silniki przed skutkami zwarć częściowych i związanych z nimi dużych upływnoci doziemnych prądu. Zadziałanie takiego przekaźnika wystąpi, gdy w obwodzie silników wystąpi zwarcie części będącej pod potencjałem WN z części uziemion, np. przebicie izolacji silnika. Zadziałanie takich zabezpieczeń powoduje zwykle otwarcie głównego wyłącznika lokomotywy, którym najczęściej jest tzw. wyłącznik szybki.

W skład zabezpieczeń napięciowych wchodzi szereg urządzeń zabezpieczających instalacje lokomotywy przed skutkami pojawienia się niedozwolonego potencjału w aparaturze i maszynach, które może być spowodowany zarówno poprzez podstację trakcyjną, jak i wyładowania atmosferyczne. S to wszelkiego rodzaju kondensatory odgromowe, odgromniki zaworowe, odiskrowniki oraz przekaźniki elektromagnetyczne. Przekaźniki elektromagnetyczne mogą chronić silniki przed prac przy obniżonym napięciu (przekaźnik zanikowo-napięciowy), przed pojawieniem się niedozwolonego napięcia na zaciskach silników (przekaniki nadpięciowe), które s z reguły wykorzystywane podczas hamowania elektrodynamicznego oraz zabezpieczenia poślizgowe, badające różnice napięć na zaciskach silników i wykrywające w ten sposób poślizg zestawów kołowych.

Silniki trakcyjne, prawidłowo eksploatowane, s urządzeniami rzadko ulegającymi awarii. Ponieważ jednak lokomotywa powinna być jak najbardziej niezawodna, stosuje się rozwiązania pozwalające lokomotywie na pracę z odłczon części silników trakcyjnych, co umożliwia jej samodzielne doprowadzenie pociągu do najbliższego punktu, gdzie może nastąpić wymiana lokomotywy na sprawą. Służy do tego układ odpowiednich odłączników oraz połączonych z nimi uzależnień. Maszynista po stwierdzeniu awarii silnika trakcyjnego wchodzi do przedziału wysokiego napięcia na lokomotywie i za pomoc odpowiednich sterowników odłącza uszkodzoną grupę silników z pracy. Najczęstszymi uszkodzeniami silników s zwarcia doziemne powodowane przebiciem izolacji silnika, uszkodzeniem szczotkotrzymaczy oraz innymi uszkodzeniami, których przyczyn jest uszkodzenie mechaniczne bd zawilgocenie silnika.