Wykorzystanie silnika prądu stałego

Wykorzystanie silnika elektrycznego prądu stałego - trakcja elektryczna

Pierwszym z omówionych przez nas wykorzystaniem silnika elektrycznego prądu stałego jest silnik tradycyjny w lokomotywach, elektrycznych zespołach zwykłych a także w tramwajach oraz trolejbusach. Silnik zwykły działa jak silnik umieszczony w samochodzie czy innym pojeździe, który napędza koła (1 zestaw kołowy to inaczej dwa koła umocowane na jednej osi) jedynie przy pomocy przekładni mechanicznej albo jest zamocowany od razu w osi kół (wirnik silnika jest umieszczony na osi zestawu). To wymienione przez nas na końcu rozwiązanie wykorzystywane jest bardzo rzadko, spowodowane jest to charakterystyką silnika oraz kołami, które napędzane są przez silnik przy pomocy układu specjalnych sprzęgieł oraz przekładni.

W pracy tej opiszemy silniki trakcyjne wykorzystywane w lokomotywach elektrycznych i elektrycznych zespołach zwykłych (tzw. jednostkach).

Wszelkie pojazdy trakcyjne, pojazdy PKP zaopatrzone są w samowzbudne silniki szeregowe prądu stałego, na ogół czterobiegunowe z biegunami komutacyjnymi. Co w ogóle znaczy określenie "silnik szeregowy"? Informuje nas o tym, że uzwojenia wzbudzenia silnika (stojan) i uzwojenia komutacyjne stojana oraz twornik silnika złączone są w jeden szereg. Co natomiast oznacza pojecie "samowzbudny"? Bierze się to stąd, że silnik jest szeregowy. W ogóle gdy posługujemy się pojęciem silnika szeregowego to wiemy, iż musi on być również samowzbudny. Mamy tu na myśli to, że uzwojenia stojana, produkujące ciągły strumień pola, są zasilane z takiego samego źródła co uzwojenia twornika (wirnik). Jednak nieścisłością w tej materii jest to, że silniki w pojazdach trakcyjnych są niejednokrotnie stosowane do hamowania pojazdów, wówczas nie będziemy posługiwać się pojęciem silnika, ale prądnicy. By zapewnić dobre działania hamowania elektrodynamicznego wykorzystuje się na ogół specjalne przełączenia w układzie i wykorzystanie aktualnego wzbudzenia przy niewielkich prędkościach (np. z baterii akumulatorów albo jeszcze jednej przetwornicy). Wówczas urządzenie szeregowe jest w stanie zmienić się np. w urządzenie szeregowo-bocznikowe obcowzbudne. To są już bardziej dokładne informacje, którymi teraz nie będziemy się zajmować. My będziemy traktować urządzenie trakcyjne w maszynach tylko jako silniki.

Silnik szeregowy prądu stałego składa się z wielu opłacalnych cech, które mają wpływ na wykorzystanie akurat tego typu urządzenia do napędu pojazdów. Pierwszą cechą jest to, że silnik szeregowy jest mało wrażliwy na zmiany napięcia sieci oraz nie sprawiają one szybkich zmian momentu obrotowego. Przy niewielkich prędkościach wartość momentu obrotowego silnika szeregowego jest proporcjonalna do kwadratu prądu, przy dużych prędkościach kątowych natomiast- proporcjonalna do prądu. Dodatkowo silnik szeregowy w zakresie prędkości obrotowych od 0 do prędkości określonej jest mało przeciążony aniżeli np. silnik bocznikowy i do otrzymania takiej samej prędkości pojazdu da się wykorzystać silnik szeregowy o mocy znacznie mniejszej aniżeli silnik bocznikowy. Silnik szeregowy posiada także wady. Jedną z nich jest wadami jest ogromna zmienność prędkości obrotowej w czasie zmian obciążenia (np. wzniesienie) jak również ewentualność m.in. rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika opiera się na tym, że silnik nie obciążony cały czas zwiększa swoją prędkość obrotową, do uzyskania krytycznego momentu, aż przekroczy wytrzymałość mechaniczną, wówczas gdy ulegnie całkowitemu zniekształceniu. Podczas normalnej eksploatacji nie posiada to większego znaczenia, ponieważ jest równowaga między momentem przyspieszającym a hamującym, ale może być ogromne niebezpieczeństwo w momencie gdy wystąpi poślizg zestawów kołowych przy rozruchu. Zerwanie przyczepności sprawia stałe wzrastanie prędkości obrotowej silnika co w złączeniu z ogromną wartością prądu, który przepływa przez silnika sprawia powstanie bardzo groźnego zjawiska, tzw. ognia okrężnego komutatora, który w niewielkim czasie sprawia nieodwracalne uszkodzenia wirnika.

Silniki elektryczne w przeciwieństwie silnika spalinowego posiadają tą korzystną właściwość, a mianowicie, że są przeciążalne. Spowodowane jest to tym, że silnik elektryczny zabiera energię z zewnętrznego źródła, tzn. sieci trakcyjnej. Są przede wszystkim dwa ograniczenia mocy silników elektrycznych, w tym prądu stałego - wytrzymałość termiczna izolacji i poprawność komutacji. Wytrzymałość termiczna izolacji jak to po prostu dopuszczona temperatura pracy silnika, który podczas, gdy przez jego uzwojenia przepłynie prąd - ogrzewa się. W momencie chwilowego przeciążenia temperatura pracy nie będzie rosła, aż uzyska wartość która jest niedopuszczalna, zatem częściowe ograniczenie obciążalności powiązane jest tylko z komutacją. Zakłada się, iż dopuszczalny prąd, który nie sprawia nieprawidłowości ze strony komutacji wynosi dwa razy wartość prądu mocy godzinnej silnika, czyli największa moc, jaką silnik jest w stanie uzyskać w ciągu niewielkiego okresu czasu to dwa razy wartość mocy godzinnej. W rzeczywistości tak buduje się obwody elektryczne, by największy prąd jaki jest w stanie przepłynąć przez uzwojenia silników wynosi 1,8~1,9 prądu mocy godzinnej. W momencie gdy przekroczymy określoną wartości prądu przepływającego przez silnik uzyskuje ogień okrężny na komutatorze, co jest spowodowane uszkodzeniem silnika, czasami nawet pożaru lokomotywy. Na ogół by uzyskać tak ogromną wartości prądu jest nierealne na skutek zabezpieczeń nadmiarowych obwodów i wcześniejsze zerwanie przyczepności kół. Czy przeciążalność jest istotną i bardzo ważną cechą? Odpowiedz brzmi tak, jest to bardzo ważna cech. Pokażemy to na prostym przykładzie. Lokomotywa ET-22 wyposażona jest w sześć silników trakcyjnych typu EE541b, wszystkie o mocy godzinnej 520 kW. Zatem moc godzinna lokomotywy wynosi 3120 kW. Jest to bardzo duża moc, ale obliczmy, jaką moc lokomotywa ta jest w stanie uzyskać w czasie niewielkiego okresu czasu - 1,8 x 3120 kW = 5620 kW. Zatem w ciągu niewielkiego okresu czasu posiadamy moc rzędu nawet 5,5 MW - to ogromna moc, w szczególności jeśli porównamy ją z jakąkolwiek lokomotywą spalinową, której moc stale równa jest mocy znamionowej, ponieważ silnik spalinowy jest nieprzeciążalny i dlatego w momencie próby przeciążenia - maleją jego obroty, dochodzi do spadku napięcia prądnicy głównej, zadziałają zabezpieczenia nadmiarowe silników trakcyjnych albo zabezpieczenia od strony Diesla.

Następnym opisywanym problemem będzie regulacja silnika szeregowego prądu stałego, inaczej mówiąc wykorzystywane jego obciążeniem i prędkością obrotową. Wyróżniamy dwie metody zmiany prędkości obrotowej silnika prądu stałego, które wynikają z równania na prędkość kątową - na skutek zmiany napięcia na jego zaciskach i poprzez zmianę strumienia pola wzbudzenia.

Zmianę napięcia na zaciskach silników jesteśmy w stanie wywołać wieloma metodami, jednak najbardziej rozpowszechnionym sposobem, wykorzystywanym w taborze PKP jest wykorzystanie w obwodzie oporności i zmiana układu połączeń silników.

Oporność w obwodzie spowodowana jest załączeniem do niego szeregowo oporników rozruchowych, które ograniczają napięcie na silnikach i wartość prądu przepływającego przez obwód. Oporniki te są jeden po drugim usuwane, poprzez zwieranie ich przy pomocy specjalnych styczników, aż do otrzymania jazdy bezoporowej (usunięcie wszelkich oporników). W użytkownicy czy konstruktorzy dążą do tego, by jazdę bezoporową można było uzyskiwać bardzo szybko, ponieważ dochodzi do wielkich straty energii w opornikach i występuje ich przeciążenie termiczne. By zminimalizować nagrzewanie się oporników, wykorzystuje się specjalne układy chłodzenia bloków oporowych, na ogół przez ulokowanie ich pod spodem pudła albo na dachu wagonu motorowego (jednostka) i wykorzystanie jeszcze kilku wentylatorów (lokomotywy). By wentylacja oporników działała sprawnie, wykorzystuje się bardzo interesującą metodę zasilania wentylatorów oporów - potencjałem, który powstaje ze spadku napięć na wybranych opornikach (lokomotywa EU-07, ET-22). Spadek napięcia na oporach jest proporcjonalny do wartości prądu przepływającego przez rezystory, a zatem również i do ciepła Joul`a, które się na nich wydziela. Sprawia to, że wydajność wentylatorów jest kontrolowana metodami naturalnymi - im większy przepływa prąd - tym wentylatory pracują szybciej, natomiast w przypadku kiedy zrezygnujemy z oporów - spadek napięcia będzie wynosił zero oraz wentylatory wyłączą się.

Zmiana układu łączeń spowoduje, że napięcia na silnikach będą dzielone w innymi metodami oraz będą uzyskiwały różne wartości. Zmiana układu zachodzi na skutek wykorzystania konkretnych styczników, albo zespolonych nastawników grupowych (jeżeli będzie duża ilość silników). Wiemy, że- cztery silniki trakcyjne da się złączyć w trzy układy - szeregowy (wszelkie silniki w szeregu), szeregowo-równoległy (dwie grupy po dwa silniki działające w szeregu złączone równolegle) albo równoległy (wszelkie silniki działające równolegle). Ze względów budowlanych wykorzystuje się również m.in.. grupy dwusilnikowe. Zatem po dwa silniki pracują w szeregu tworząc grupę. W tym przypadku cztery silniki jesteśmy w złączyć w dwa układy - szeregowy oraz równoległy. W pierwszej ewentualności napięcie na wszystkich silnikach (gdy napięcie sieci wynosić będzie 3000V) będzie równało się 750V, natomiast w drugim - 1500V. Gdy weźmiemy pod uwagę lokomotywę sześcioosiową (6 silników) - silniki da się złączyć w trzy układy - szeregowy, szeregowo-równoległy (dwie grupy trzech silników złączonych w szereg złączone równolegle) i równoległy. Napięcia na wszystkich silnikach równać się będą wówczas 500V (szeregowe), 1000V (szeregowo-równolegle) i 1500V (równoległe).

Regulację prędkości przez zmianę wzbudzenia otrzymuje się po otrzymaniu jazdy bezoporowej w konkretnym układzie. Wiemy już, z zależności na prędkość kątową silnika prędkość ta jest proporcjonalna do napięcia i odwrotnie proporcjonalna do strumienia pola. Zatem wzrost prędkości da się otrzymać przez osłabienie strumienia pola, co sprawia się przez zbocznikowanie uzwojeń wzbudzenia przy pomocy specjalnych rezystorów. W czasie bocznikowania występuje sytuacja taka, że rośnie prędkość obrotowa silnika kosztem momentu obrotowego. Na ogół wykorzystuje się wiele stopni osłabiania strumienia pola, przez ulokowanie w obwodzie bocznikowania wielu rezystorów, zwieranych kolejno przy pomocy styczników. Do obwodu osłabiania pola włączona jest szeregowo oporność indukcyjna (tzw. boczniki indukcyjne), które zmniejszają wpływ szybkich zmian napięcia na pracę silnika, ponieważ w stanie naturalnym (z pełnym wzbudzeniem) funkcję dławiącą wykorzystują właśnie uzwojenia wzbudzenia, które zostają bocznikowane w procesie osłabiania pola oraz w stanach nieustalonych funkcję tę wykorzystują w zastępstwie boczniki indukcyjne.

Następnym posunięciem jest potrzeba wykorzystania silników do działania w dwóch kierunkach wirowania. Zamiana kierunku obrotów odbywa się bardzo łatwy sposób, na skutek zmiany kierunku prądu w uzwojeniach wzbudzenia. Maszyną stosowaną do robienia takiego przełączenia są m.in. nawrotniki, czyli elektropneumatyczne nastawniki przełączające konkretne styki.

Na koniec zajmijmy się kolejnym kłopotem jakim jest zabezpieczenie silników zwykłych przed zniszczeniem oraz działaniem w stanie zniszczonym oraz także kłopot wystąpienia awarii. Obwód główny lokomotywy (gdzie głównym fragmentem są silniki trakcyjne) jest chroniony wieloma głównymi typami zabezpieczeń. Przede wszystkim są to zabezpieczenia ziemnozwarciowe, napięciowe oraz nadmiarowe.

Do zabezpieczeń nadmiarowych zalicza się tzw. przekaźniki nadmiarowo-prądowe, które są w stanie uchronić silniki przed skutkami przeciążeń. Ich zadziałanie nastąpi w momencie, gdy przez obwód silników przepłynie prąd większy od prądu nastawienia przekaźnika i sprawią otwarcie konkretnych styczników by odciąć dopływ prądu (na ogół styczników liniowych). Ochroną nadmiarową mogą być również bezpieczniki topikowe.

Natomiast do zabezpieczeń ziemnozwarciowych zaliczamy tzw. przekaźnik różnicowo-prądowy, który chroni silniki przed skutkami zwarć częściowych oraz związanych z nimi ogromnych upływności doziemnych prądu. Zadziałanie tego przekaźnika nastąpi, wówczas gdy w obwodzie silników nastąpi zwarcie części, która znajduje się pod potencjałem WN z częścią uziemioną, np. przebicie izolacji silnika. Zadziałanie tych zabezpieczeń sprawi na ogół otwarcie głównego wyłącznika lokomotywy, którym bardzo często jest tzw. wyłącznik szybki.

Do zabezpieczeń napięciowych zalicza się kilka maszyn zabezpieczających instalacje lokomotywy przed skutkami powstania niedozwolonego potencjału w maszynach oraz aparaturze, gdzie może być spowodowany przez podstację trakcyjną, jak również przez wyładowania atmosferyczne. Zaliczamy do nich różnego typu kondensatory odgromowe, odiskrowniki, odgromniki zaworowe, jak również przekaźniki elektromagnetyczne. Przekaźniki elektromagnetyczne są w stanie ochronić silniki przed pracą przy obniżonym napięciu (przekaźnik zanikowo-napięciowy), przed pojawieniem się niedozwolonego napięcia na zaciskach silników (przekaźniki nadpięciowe), które są na ogół stosowane w czasie hamowania elektrodynamicznego i zabezpieczenia poślizgowe, analizujące różnice napięć na zaciskach silników oraz odkrywające dzięki temu poślizg zestawów kołowych.

Silniki trakcyjne, dobrze eksploatowane, są maszynami bardzo rzadko ulegającymi awarią. Gdyż jednak lokomotywa musi być niezawodna, wykorzystuje się rozwiązania, które pozwalają lokomotywie na działanie z odłączoną częścią silników trakcyjnych, co powoduje jej samodzielne dostarczenie pociągu do najbliżej położonego punktu, gdzie nastąpić może zamiana lokomotywy na sprawną. Wykorzystywany jest do tego układ konkretnych odłączników i złączonych z nimi uzależnień. Maszynista po zauważeniu awarii silnika trakcyjnego wchodzi do przedziału wysokiego napięcia na lokomotywie tam przy pomocy specjalnych sterowników wyłącza uszkodzoną grupę silników z pracy. Częstym uszkodzeniami silników są zwarcia doziemne spowodowane przebiciem izolacji silnika, uszkodzeniem szczotkotrzymaczy jak również innymi uszkodzeniami, gdzie przyczyną jest uszkodzenie mechaniczne albo zawilgocenie silnika.

Wypracowanie napisała samodzielne Kinga Piskorz