HAMOWANIE ELEKTRYCZNE W POJAZDACH TRAKCYJNYCH

Strona 2 z 9

HAMOWANIE ELEKTRYCZNE

Najczęściej stosowanymi obecnie hamulcami są hamulce cierne. W czasie hamowania klocki
hamulcowe trą o obręcze kół wytwarzając siłę hamującą. Z biegiem czasu zarówno klocki
hamulcowe jak i obręcze kół się ścierają i trzeba je wymieniać. Drobny pył, który powstaje
podczas hamowania osadza się na torowisku, urządzeniach sterowania ruchem kolejowym
oraz dostaje się do urządzeń i maszyn elektrycznych zamocowanych pod podwoziem
pojazdów. Zanieczyszczenia te mogą być przyczyną awarii urządzeń srk oraz maszyn w
pojazdach trakcyjnych.
Dąży się do tego, aby hamulce cierne zastąpić innymi układami, które nie wymagają
wymiany elementów układu a także nie powodują ścierania się obręczy kół. Sprawa
hamowania ma szczególne znaczenie, gdy pociągi poruszają się z dość dużą prędkością,
szczególnie intensywność hamowania.

Maszyna elektryczna prądu stałego może pracować jako silnik jak i prądnica, w
zależności do tego czy jest do niej dostarczana energia elektryczna czy mechaniczna.
Zjawisko odwracalności pracy maszyny elektrycznej wykorzystano do hamowania pojazdów.
Działanie dynamiczne pola elektromagnetycznego jest tak duże, że może ograniczać
prędkość bardzo ciężkich pociągów.
Podczas jazdy z rozpędu na skutek obracania się wirnika i pozostałości magnetycznej w
biegunach głównych maszyny indukuje się siła elektromotoryczna. W czasie hamowania
elektrodynamicznego silniki zostają odłączone od sieci zasilającej i zwarte rezystorami, na
skutek tego w obwodzie płynie prąd, który wytwarza moment elektromagnetyczny przeciwnie
skierowany do momentu obrotowego. Energia elektryczna wytworzona w czasie hamowania
zostaje przetworzona na energię cieplną w rezystorach. Z hamowania elektrodynamicznego
nie ma żadnych korzyści energetycznych, jednak ten rodzaj hamulca jest bardzo skuteczny i
znacznie ogranicza prędkość jazdy, dlatego jest często stosowany. Do hamowania
elektrodynamicznego można stosować zarówno maszyny szeregowe jak i bocznikowe.
W przeciwieństwie do hamowania elektrodynamicznego, podczas hamowania odzyskowego
wytworzona energia elektryczna zostaje oddana do sieci zasilającej, dzięki temu przynosi to
korzyści energetyczne. Teoretycznie ten rodzaj hamulca ma przewagę nad hamulcem
elektrodynamicznym, jednak aby energia mogła być oddana do sieci musi być spełnionych
wiele trudnych warunków. Przede wszystkim aby maszyna oddawała energię do sieci
zaindukowana siła elektromotoryczna musi być wyższa od napięcia w sieci trakcyjnej.
Ponadto sieć trakcyjna, a szczególnie urządzenia zasilające muszą być przygotowane do
odbioru energii z sieci trakcyjnej. W przypadku systemu prądu stałego jest to dość
kłopotliwe, ale możliwe. Warunki te jednak podnoszą koszty stosowania hamulca
odzyskowego. Do hamowania odzyskowego nie stosuje się silników szeregowych ze względu
na trudności techniczne.
Trzecim rodzajem hamulca stosowanego w trakcji jest hamulec szynowy. Obwód hamulca

Strona 3 z 9

szynowego jest bardzo prosty, jednak przy ciężkich pociągach hamulec ten byłby za mało
skuteczny i dlatego jego zastosowanie ograniczone jest głównie do trakcji tramwajowej i
lekkich kolejek miejskich.
Zarówno hamowanie z odzyskiem energii jak i hamowanie elektrodynamiczne stosowane są
w trakcji elektrycznej prądu stałego oraz w trakcji elektrycznej prądu jednofazowego.
Hamowanie elektryczne ma wiele zalet:
- daje możliwość osiągania większych prędkości, ponieważ przy dużych prędkościach
hamulce elektryczne są bardzo skuteczne;
- znacznie ogranicza się ścieranie obręczy kół i klocków hamulcowych;
- ogranicza przypadki "wybicia kół";
- hamulce elektryczne nie wymagają wymiany.

HAMOWANIE Z ODZYSKIEM ENERGII

Jednym ze sposobów hamowania elektrycznego jest hamowanie z odzyskiem energii

elektrycznej. Aby zjawisko oddawania energii do sieci było możliwe silnik musi zacząć

pracować jako prądnica i musi być spełniony następujący warunek:

Oznacza to, że siła elektromotoryczna musi być wyższa od napięcia w sieci trakcyjnej.

Przekształcając wzór otrzymamy następująca zależność:

Taka sytuacja będzie miała miejsce w czasie hamowania z odzyskiem. Gdy siła
elektromotoryczna wytwarzana przez prądnicę jest wyższa od napięcia w sieci wówczas

popłynie prąd odzyskowy. Wówczas moment obrotowy zmieni swój kierunek i stanie się

momentem hamującym. Bardzo ważne jest aby w czasie hamowania przełączyć zaciski

uzwojenia wzbudzenia. W przeciwnym razie nie nastąpi zmiana kierunku działania momentu

obrotowego i maszyna nie będzie hamowała (jeżeli chcesz wiedzieć dokładnie co się dzieje w

maszynie przy przejściu z pracy silnikowej na pracę prądnicową czytaj „Dodatek Techniczny”

na końcu opracowania).

Energia, która zostanie oddana do sieci może być pochłonięta przez inne pojazdy lub w

Strona 4 z 9

przypadku braku zapotrzebowania może być oddana do sieci energetycznej.
Żeby układ hamowania był skuteczny musi być statyczny elektrycznie, polega to na szybkim

dopasowaniu się do stanu wyjściowego po ustaniu przyczyn powodujących zachwianie

równowagi pracy, oraz musi być stateczny mechanicznie, co polega na dopasowaniu siły

hamującej do prędkości jazdy. Warunki te będą spełnione wówczas, gdy maszyna będzie

miała charakterystykę silnie opadającą (zmniejszanie się napięcia na zaciskach maszyny wraz

ze zwiększaniem się prądu obciążenia).

W prądnicy szeregowej wartość napięcia na wyjściu zależy od prądu obciążenia, który jest

jednocześnie prądem wzbudzenia. Jeżeli prąd oddawany do sieci (będący także prądem

wzbudzenia) zmaleje (może być to spowodowane wzrostem napięcia w sieci), to siła

elektromotoryczna także zmaleje i przy pewnej wartości będzie niższa od napięcia zasilania

co oznacza że moment hamujący będzie równy zeru. W przypadku obniżenia się napięcia w

sieci, prąd oddawany do sieci wzrósłby przez co maszyna szybko weszła by w stan zwarcia

(charakterystyka prądnicy szeregowej). W związku z tym silniki szeregowe nie nadają się do

hamowania odzyskowego.

Lepsze charakterystyki zewnętrzne mają prądnice bocznikowe. Wraz ze wzrostem obciążenia
maleje napięcie na zaciskach. Niestety w ruchu kolejowym często występują wahania

napięcia na co uczulone są prądnice bocznikowe. W związku z tym trzeba dążyć do tego, aby

charakterystyka była bardziej stroma, dzięki temu nagłe zmiany napięcia w sieci nie będą

powodowały znacznych zmian prądu oddawanego do sieci.

Na powyższej charakterystyce zewnętrznej prądnicy bocznikowej przedstawiona jest
zależność pomiędzy napięciem E na zaciskach prądnicy a prądem obciążenia I(czerwona
linia). Jak widać w miarę wzrostu obciążenia napięcie na zaciskach maleje. Na tej samej
charakterystyce przedstawiona jest także zależność pomiędzy napięciem sieci U

a prądem

oddawanym do sieci (prądem obciążenia). Już przy niewielkich zmianach napięcia w sieci U

prąd obciążenia gwałtownie się zmienia. Taka sytuacja jest niekorzystna dlatego dąży się do
tego, aby prąd obciążenia zmieniał się według krzywej K.

Jednym ze sposobów poprawienia charakterystyki jest włączenie w obwód twornika rezystora
stabilizacyjnego. Rezystor ten ogranicza wartość prądów odzyskowych przy zmianach
napięcia w sieci lub prędkości - działa jak uzwojenie przeciwwzbudne - wraz ze wzrostem
prądu odzyskowego maleje prąd wzbudzenia. Wartość rezystancji zależna jest od
charakterystyki silnika i hamowania.

Siła hamowania elektrycznego jest największa przy dużych prędkościach. Wraz ze
zmniejszaniem się prędkości siła ta maleje.

Strona 5 z 9

Aby można było stosować hamowanie elektryczne wymagany jest specjalny układ
elektryczny oraz moc silników musi być większa - podraża to koszty lokomotywy. Jednak daje
to niekiedy duże oszczędności na energii. Energia ta pochłonięta może być przez inne
pojazdy lub w przypadku braku zapotrzebowania oddana może być do sieci energetycznej.
Najlepsze warunki do odzysku energii panują na liniach górskich z dużymi spadkami oraz na
liniach podmiejskich z małymi odstępami między przystankami.
W Polsce sieć trakcyjna nie jest przystosowana do przyjmowania prądów odzyskowych i z
tego względu hamowanie z odzyskiem energii nie jest stosowane.

HAMOWANIE ELEKTRODYNAMICZNE

W czasie jazdy w obracających się wirnikach silników trakcyjnych na skutek pozostałości

magnetycznej w uzwojeniach wzbudzenia indukuje się siła elektromotoryczna skierowana

przeciwnie do napięcia sieci. W czasie hamowania elektrycznego obwód silników trakcyjnych

zostaje odłączony od sieci i zwarty rezystorami. W zamkniętym obwodzie elektrycznym

popłynie prąd o kierunku przeciwnym niż w czasie pracy silnikowej. Nie wystarcza jednak to

do wytworzenia momentu elektromagnetycznego, który będzie przeciwny do kierunku

obracania się wału silnika, gdyż jednoczesna zmiana kierunku przepływu prądu w obu

uzwojeniach nie zmienia kierunku działania siły elektrodynamicznej, poza tym zniszczenie

magnetyzmu szczątkowego (na skutek przeciwnego kierunku przepływu prądu w uzwojeniu

wzbudzenia) w czasie hamowania nie wywoła żadnego zjawiska, które mogło by zatrzymać

silnik (jeżeli chcesz wiedzieć dokładnie co się dzieje w maszynie przy przejściu z pracy

silnikowej na pracę prądnicową czytaj „Dodatek Techniczny” na końcu tego opracowania).

W związku z tym należy zamienić połączenie obwodu z zaciskami uzwojeń wzbudzenia tak,

aby kierunek przepływu prądu pozostał taki sam jak przy pracy silnikowej.

Rezystory, na których wytworzona energia elektryczna jest zamieniania na energię cieplną

muszą mieć odpowiednio dużą pojemność cieplną, która zależy od czasu trwania hamowania.

W związku z tym hamowanie elektrodynamiczne lepiej się nadaje do krótkotrwałego

przyhamowania pociągu niż do powolnego ograniczania prędkości.

W czasie hamowania silniki trakcyjne (lub grupy silników) łączone są ze sobą równolegle.

Ogranicza to wartość napięć w obwodzie. Dla zapewnienia równomiernych obciążeń

Strona 6 z 9

uzwojenia maszyn się krzyżuje lub stosuje się przewód wyrównawczy. Bardzo ważne jest,
aby wszystkie hamujące silniki miały identyczne charakterystyki. W przypadku różnic przy

zastosowaniu krzyżowania lub przewodów wyrównawczych mogło by się zdarzyć, że niektóre

maszyny pracowałby jako prądnice, a niektóre jako silniki.

Do ograniczenia prędkości ciężkiego pociągu potrzebna jest duża ilość energii. Aby hamulec

był skuteczny, w krótkim czasie przez obwód musi przepłynąć bardzo duży prąd powodujący

silne grzanie rezystorów i silnika. Aby było to możliwe moc silników trakcyjnych musi być

większa niż przy pracy silnikowej. Z tego względu silniku trakcyjne pojazdów

przystosowanych do hamowania charakteryzują się większą mocą znamionową.

Hamulec elektrodynamiczny wytwarza największą siłę hamującą przy dużych prędkościach.

W miarę zmniejszania się prędkości siła ta maleje zgodnie ze wzorem:

W miarę zmniejszania się prędkości obrotowej (w wyniku hamowania) siła elektromotoryczna
maleje, a co za tym idzie wartość prądu w obwodzie będzie mniejsza. Wprawdzie wartość
prądu można regulować zmieniając rezystancję, ale tylko do pewnej wartości. Przy
określonej prędkości siła elektromotoryczna jest zbyt mała aby hamowanie było skuteczne, w
związku z tym hamowaniem elektrodynamicznym nie zatrzyma się całkowicie pojazdu. Do
całkowitego zatrzymania pojazdu należy użyć innego hamulca - pneumatycznego lub
szynowego.

W Polsce, na sieci PKP hamowanie elektrodynamiczne stosowane jest na lokomotywach
serii EP09, EM10, ET42, na jednostkach EW58 oraz na lokomotywach spalinowych
serii SP32.

HAMULEC SZYNOWY

Najprostszy hamulec szynowy stanowi cewka nawinięta na rdzeń, z którym tworzy

elektromagnes. Całość zamknięta jest w obudowanie zawieszonej pod podwoziem pojazdu.

Strona 7 z 9

Hamulec taki może być stosowany w pojazdach szynowych o niedużej masie - najczęściej
stosowany jest w tramwajach komunikacji miejskiej. Działanie hamulca polega na zasileniu

elektromagnesu prądem po czym wytworzy się strumień magnetyczny stanowiący siłę

przyciągającą. Zawieszony sprężyście hamulec zostanie przyciągnięty do szyny. W czasie

jazdy hamulec będzie tarł o powierzchnię szyny i wytworzy się siła hamująca. Hamulce

szynowe zawieszone są do wózka pojazdu po obu stronach. Elektromagnes zasilany może

być z baterii akumulatorów lub z innego źródła energii (przetwornica).W momencie

odłączenia zasilania hamulec zostaje podniesiony do góry za pomocą sprężyn zwrotnych.

Na kolei, w pojazdach dostosowanych do większej prędkości (wagony i zespoły pasażerskie)

co raz częściej montuje się hamulce szynowe, jednak układ ich zasilania jest bardziej

skomplikowany. Płoza hamulcowa zawieszona jest wyżej niż w tramwaju i opuszczana za

pomocą układu pneumatycznego. Pod podwoziem znajdują się cylindry, w których

zamontowane są tłoki i sprężyny. Opuszczenie płozy hamulcowej następuje, gdy do cylindra

doprowadzone zostanie sprężone powietrze. Tłok przesunie się wówczas w dół

przezwyciężając siłę sprężyn i opuści płozę. Elektromagnes zostanie zasilony i wytworzy się

siła hamująca. Odblokowanie nastąpi, gdy z cylindra zostanie wypuszczone powietrze.
Jednocześnie przerwany zostaje obwód zasilania elektromagnesu.

Siła hamowania tego hamulca zależy od przyczepności i współczynnika tarcia. Współczynnik

tarcia zależy od prędkości i wynosi 0,17 (przy szynach mokrych) do 0,26 (przy szynach

suchych). Siła przyczepności hamulca zależy od powierzchni styku nabiegunnika z szyną oraz

od indukcji magnetycznej. W czasie działania hamulca, w szynach indukują się prądy wirowe,

które ujemnie wpływają na siłę docisku płozy do szyny.

Strona 8 z 9

DODATEK TECHNICZNY

Hamowanie elektryczne silników jest możliwe pod warunkiem, że silnik zacznie wytwarzać

moment elektromagnetyczny przeciwny do momentu obrotowego - zostanie wytworzony

moment hamujący. W czasie pracy silnikowej prąd płynie od sieci przez uzwojenie wirnika i

uzwojenie wzbudzenia. W czasie hamowania elektrodynamicznego i hamowania

odzyskowego silnik zaczyna pracować jako prądnica. Żeby taka sytuacja zaszła w czasie

hamowania elektrodynamicznego należy silnik odłączyć od sieci i zamknąć obwód. Natomiast

w czasie hamowania odzyskowego wartość siły elektromotorycznej indukowanej przez silnik

musi być wyższa od napięcia sieci, gdyż tylko w takim układzie prąd popłynie do sieci. Żeby

zrozumieć dlaczego silnik może hamować należy przytoczyć podstawy elektrotechniki.

Reguła lewej dłoni dotyczy oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem i

mówi:

Jeżeli lewą rękę ustawimy tak aby linie

pola magnetycznego B były zwrócone do

wewnętrznej części dłoni a cztery

wyprostowane palce wskazują kierunek

przepływu prądu I w przewodzie to

odchylony kciuk wskaże kierunek działania

siły elektrodynamicznej F.

Powyższa reguła dotyczy pracy silnika. W czasie pracy przez uzwojenia wirnika i wzbudzenia

przepływa prąd w określonym kierunku. Kierunek prądu w przewodzie ma wpływ na kierunek

linii pola magnetycznego występującego wokół uzwojenia (reguła nachwytu prawej ręki). W

przypadku zmiany kierunku prądu w maszynie zmieniają się kierunki linii pola

magnetycznego wokół przewodów (uzwojeń), przez które płynie prąd. Przeanalizujmy

zjawiska oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem zgodnie z regułą lewej

ręki - patrz na rysunek.

W pierwszym przypadku (rysunek po lewej stronie) w wirniku prąd płynie zgodnie z sytuacją

na rysunku (ciemna czerwona strzała). Prąd ten przepływa także przez uzwojenie

wzbudzenia i powoduje, że linie pola magnetycznego zwrócone są tak jak na rysunku - w

górnym uzwojeniu tworzy się biegun N, a w dolnym S. Zgodnie z zasadą siła

elektrodynamiczna będzie zwrócona w lewo.

W drugim przypadku (rysunek po prawej stronie) prąd płynie w wirniku w przeciwnym
kierunku, podobnie jak w uzwojeniu wzbudzenia. Powoduje to, że linie pola magnetycznego

układają się inaczej niż w pierwszym przypadku. Teraz w uzwojeniu dolnym tworzy się

biegun N, a w górnym biegun S. Zgodnie z regułą lewej ręki siła elektrodynamiczna będzie

zwrócona w lewo - tak jak w pierwszym przypadku. Wniosek - zmiana kierunku przepływu

prądu w obu uzwojeniach nie powoduje zmiany kierunku działania siły elektrodynamicznej

(momentu obrotowego). W związku z tym, aby zmienić kierunek działania momentu należy

zmienić kierunek przepływu prądu w jednym z uzwojeń - wzbudzenia lub wirnika, tak aby

prąd w wirniku albo strumień w uzwojeniu wzbudzenia miały stały kierunek.

Strona 9 z 9

Teraz prześledźmy to co się dzieje w czasie przechodzenia maszyny z pracy silnikowej na
pracę prądnicową.

W czasie gdy maszyna pracuje jako silnik w uzwojeniu wirnika na skutek poruszania się

uzwojeń w polu magnetycznym (pochodzącym od uzwojenia wzbudzenia) wytwarza się siła

elektromotoryczna, która jest skierowana przeciwnie do kierunku napięcia zasilającego

(zjawisko to opisuje reguła prawej ręki). Siła ta jest zwana siłą przeciwelektromotoryczną.

Ponieważ wartość tej siły elektromotorycznej w czasie pracy silnikowej jest niższa od

napięcia sieci prąd płynie do silnika, chociaż jest osłabiany przez siłę elektromotoryczną.

Wartość tej siły jest dość duża i przy dużych prędkościach bliska napięciu zasilania. Podczas

hamowania odzyskowego, gdy siła elektromotoryczna będzie wyższa od napięcia zasilania,

prąd w uzwojeniu wirnika i wzbudzenia zmieni kierunek i zacznie płynąć do sieci. W czasie

hamowania elektrodynamicznego wartość napięcia zasilania nie ma znaczenia, gdyż obwód

jest odłączony od sieci zasilającej. Jak już udowodniłem jednoczesna zmiana kierunku

przepływu prądu w obu uzwojeniach nie spowoduje zmiany kierunku działania siły

elektrodynamicznej (momentu elektromagnetycznego), ponadto zmiana kierunku przepływu

prądu przez uzwojenie wzbudzenia niszczy magnetyzm szczątkowy pozostały w rdzeniu,
który jest niezbędny do pracy prądnicowej maszyny. W związku z tym należy zamienić

kierunek przepływu prądu w uzwojeniu wzbudzenia zmieniając zaciski - co ważne - należy to

zrobić przed przejściem na pracę prądnicową, ale nie w czasie pracy silnikowej, gdyż

spowoduje to zwarcie. Ogólnie mówiąc należy wykonać to w taki sposób, aby kierunek

przepływu prądu przez uzwojenie wzbudzenia był taki sam przy pracy silnikowej i

prądnicowej. Dzięki temu moment elektromagnetyczny będzie przeciwnie skierowany do

kierunku wirowania wirnika - powstanie moment hamujący i nie zniszczy to magnetyzmu

szczątkowego.

Należy pamiętać, że prąd hamujący może osiągnąć duże wartości. Przy próbie gwałtownego
zahamowania wału maszyny wartość prądu będzie bardzo duża co z pewnością uszkodzi
maszynę. Dlatego wartość prądu hamowania musi być regulowana rezystorami włączonymi
w obwód.

Dodatek techniczny jest po to, aby nie wprowadzać zbędnych informacji do opisu danego zagadnienia.
Stanowi on uzupełnienie informacji, dzięki temu zainteresowany użytkownik może lepiej zrozumieć
informacje podane w opisie podstawowym.