Zastosowanie silnika elektrycznego pršdu stałego - trakcja elektryczna
Jednym z licznych zastosowań silnika elektrycznego pršdu stałego sš 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 pomocš przekładni mechanicznej bšd jest zainstalowany bezporednio w osi kół (wirnik silnika jest osadzony na osi zestawu). To ostatnie rozwišzanie stosowane jest stosunkowo rzadko, ze względu na charakterystykę silnika i zwykle koła napędzane sš przez silnik za pomocš 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 sš wyposażone w samowzbudne silniki szeregowe pršdu 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 połšczone sš 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, wytwarzajšce stały strumień pola, sš zasilane z tego samego ródła co uzwojenia twornika (wirnik). Pewnš niecisłociš w tej materii może być fakt, iż silniki w pojazdach trakcyjnych sš czasami wykorzystywane do hamowania tych pojazdów i wtedy nie możemy mówić już o silniku, lecz o pršdnicy. W celu zapewnienia poprawnego działania hamowania elektrodynamicznego stosuje się zwykle odpowiednie przełšczenia w układzie oraz zastosowanie obcego wzbudzenia przy małych prędkociach (np. z baterii akumulatorów bšd dodatkowej przetwornicy). Wtedy maszyna szeregowa może zmienić się np. w maszynę szeregowo-bocznikowš obcowzbudnš. Ale to sš jednak szczegóły, my potraktujemy maszyny trakcyjne w pojazdach jedynie jako silniki.
Silnik szeregowy pršdu stałego posiada bardzo wiele korzystnych cech, które decydujš o zastosowaniu włanie tego rodzaju maszyny do napędu pojazdów. Po pierwsze silnik szeregowy jest mało wrażliwy na zmiany napięcia sieci i nie powodujš one gwałtownych zmian momentu obrotowego. Przy małych prędkociach wartoć momentu obrotowego silnika szeregowego jest proporcjonalna do kwadratu pršdu, natomiast przy większych prędkociach kštowych - proporcjonalna do pršdu. Poza tym silnik szeregowy w zakresie prędkoci obrotowych od 0 do prędkoci ustalonej jest mniej przecišżony 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 zmiennoć prędkoci obrotowej podczas zmian obcišżenia (np. wzniesienie) oraz możliwoć tzw. rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika polega na tym, iż silnik nie obcišżony cały czas zwiększa swojš prędkoć obrotowš, 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 przyspieszajšcym a hamujšcym, lecz stanowi poważne zagrożenie w wypadku wystšpienia polizgu zestawów kołowych przy rozruchu. Zerwanie przyczepnoci powoduje cišgłe zwiększanie prędkoci obrotowej silnika co w połšczeniu z dużš wartociš pršdu płynšcego 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 majš tę pozytywnš właciwoć, iż sš przecišżalne. Wynika to z tego, iż silnik elektryczny pobiera energię z zewnętrznego ródła, tzn. sieci trakcyjnej. Właciwie sš dwa ograniczenia mocy silników elektrycznych, w tym pršdu stałego - wytrzymałoć termiczna izolacji oraz poprawnoć komutacji. Wytrzymałoć termiczna izolacji to nic innego jak dopuszczalna temperatura pracy silnika, który w czasie, gdy przez jego uzwojenia płynie pršd - nagrzewa się. W przypadku krótkotrwałego przecišżenia temperatura pracy nie wzronie raczej do wartoci niedopuszczalnej, więc chwilowe ograniczenie obcišżalnoci jest zwišzane jedynie z komutacjš. Przyjmuje się, że dopuszczalny pršd, który nie powoduje nieprawidłowoci ze strony komutacji równa się dwukrotnej wartoci pršdu mocy godzinnej silnika, czyli maksymalna moc, jakš silnik może osišgnšć w cišgu krótkiego okresu czasu to dwukrotna wartoć mocy godzinnej. W praktyce tak projektuje się obwody elektryczne, aby maksymalny pršd jaki może popłynšć przez uzwojenia silników równał się 1,8~1,9 pršdu mocy godzinnej. W przypadku przekroczenia pewnej wartoci pršdu płynšcego przez silnik powstaje ogień okrężny na komutatorze, co jest powodem uszkodzenia silnika, a nawet pożaru lokomotywy. Z reguły jednak osišgnięcie tak dużej wartoci pršdu jest niemożliwe ze względu na zabezpieczenia nadmiarowe obwodów oraz wczeniejsze zerwanie przyczepnoci kół. Czy przecišżalnoć to naprawdę ważna cecha? Tak, bardzo ważna, przeanalizujmy prosty przykład. Lokomotywa ET-22 posiada szeć silników trakcyjnych typu EE541b, każdy o mocy godzinnej 520 kW. A więc moc godzinna lokomotywy jest równa 3120 kW. Jest to pokana moc, lecz policzmy, jakš moc lokomotywa ta może osišgnšć w czasie krótkiego okresu czasu - 1,8 x 3120 kW = 5620 kW. A więc w cišgu krótkiego okresu czasu dysponujemy mocš ponad 5,5 MW - to olbrzymia moc, szczególnie porównujšc z dowolnš lokomotywš spalinowš, której moc jest zawsze równa mocy znamionowej, gdyż silnik spalinowy jest nieprzecišżalny i w przypadku próby przecišżenia - spadajš jego obroty, następuje spadek napięcia pršdnicy głównej, zadziałajš zabezpieczenia nadmiarowe silników trakcyjnych bšd zabezpieczenia od strony Diesla.
Kolejnym omawianym zagadnieniem będzie regulacja silnika szeregowego pršdu stałego, czyli sterowanie jego obcišżeniem oraz prędkociš obrotowš. Istniejš dwa sposoby zmian prędkoci obrotowej silnika pršdu stałego, wynikajšce ze wzoru na prędkoć kštowš - poprzez zmianę napięcia na jego zaciskach oraz przez zmianę strumienia pola wzbudzenia.
Zmianę napięcia na zaciskach silników możemy spowodować kilkoma sposobami, jednak najpowszechniejszš metodš, stosowanš w taborze PKP jest zastosowanie w obwodzie opornoci oraz zmiana układu połšczeń silników.
Opornoć w obwodzie powodowana jest włšczeniem do niego szeregowo oporników rozruchowych, które ograniczajš napięcie na silnikach oraz wartoć pršdu płynšcego przez obwód. Oporniki te sš kolejno eliminowane, poprzez zwieranie ich za pomocš odpowiednich styczników, aż do uzyskania jazdy bezoporowej (wyeliminowanie wszystkich oporników). W interesie konstruktorów i użytkowników jest spowodowanie, aby jazda bezoporowa mogła być osišgnięta jak najszybciej, gdyż następujš olbrzymie straty energii w opornikach oraz występuje ich przecišżenie 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 doć 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 wartoci pršdu płynšcego przez rezystory, a więc i do ciepła Joul`a, które się na nich wydziela. Powoduje to, iż wydajnoć wentylatorów jest regulowana w sposób naturalny - im większy płynie pršd - tym wentylatory chodzš szybciej, a w przypadku gdy wyeliminujemy opory - spadek napięcia będzie się równał zero i wentylatory wyłšczš się.
Zmiana układu połšczeń powoduje, iż napięcia na silnikach będš podzielone w inny sposób i będš przyjmowały różne wartoci. Zmiana układu odbywa się dzięki zastosowaniu odpowiednich styczników, bšd zespolonych nastawników grupowych (w przypadku większej iloci silników). Jak wiemy - cztery silniki trakcyjne możemy połšczyć w trzy układy - szeregowy (wszystkie silniki w szeregu), szeregowo-równoległy (dwie grupy po dwa silniki pracujšce w szeregu połšczone równolegle) lub równoległy (wszystkie silniki pracujšce równolegle). Ze względów konstrukcyjnych stosuje się tzw. grupy dwusilnikowe, to znaczy, że po dwa silniki pracujšce w szeregu tworzš grupę. W takim wypadku cztery silniki możemy połšczyć 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 połšczyć w trzy układy - szeregowy, szeregowo-równoległy (dwie grupy trzech silników połšczonych w szereg połšczone równolegle) oraz równoległy. Napięcia na każdym silniku będš wtedy wynosiły 500V (szeregowe), 1000V (szeregowo-równolegle) oraz 1500V (równoległe).
Regulację prędkoci poprzez zmianę wzbudzenia uzyskuje się po uzyskaniu jazdy bezoporowej w okrelonym układzie. Jak wiemy, ze wzoru na prędkoć kštowš silnika prędkoć 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 pomocš 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 pomocš styczników. Do obwodu osłabiania pola włšczona jest szeregowo opornoć indukcyjna (tzw. boczniki indukcyjne), które łagodzš wpływ gwałtownych zmian napięcia na pracę silnika, gdyż w stanie naturalnym (z pełnym wzbudzeniem) funkcję dławišcš spełniajš włanie uzwojenia wzbudzenia, które zostajš bocznikowane w procesie osłabiania pola i w stanach nieustalonych funkcję tę spełniajš zastępczo włanie boczniki indukcyjne.
Kolejnym zagadnieniem jest koniecznoć przystosowania silników do pracy w obydwu kierunkach wirowania. Zmianę kierunku obrotów dokonuje się bardzo prosto, poprzez zmianę kierunku pršdu w uzwojeniach wzbudzenia. Urzšdzeniem służšcym do dokonywania takiego przełšczenia sš tzw. nawrotniki, czyli elektropneumatyczne nastawniki przełšczajšce odpowiednie styki.
Ostatnim problemem jest zabezpieczenie silników trakcyjnych przed uszkodzeniem i pracš w stanie uszkodzonym oraz problem wystšpienia awarii. Obwód główny lokomotywy (w którym podstawowym elementem sš silniki trakcyjne) jest chroniony kilkoma podstawowymi rodzajami zabezpieczeń. Sš to zabezpieczenia nadmiarowe, ziemnozwarciowe i napięciowe.
W skład zabezpieczeń nadmiarowych wchodzš tzw. przekaniki nadmiarowo-pršdowe, które chroniš silniki przed skutkami przecišżeń. Ich zadziałanie następuje, gdy przez obwód silników popłynie pršd wyższy od pršdu nastawienia przekanika i spowodujš otwarcie odpowiednich styczników w celu odcięcia dopływu pršdu (zwykle styczników liniowych). Zabezpieczeniem nadmiarowym mogš być także bezpieczniki topikowe.
W skład zabezpieczeń ziemnozwarciowych wchodzi tzw. przekanik różnicowo-pršdowy, który zabezpiecza silniki przed skutkami zwarć częciowych i zwišzanych z nimi dużych upływnoci doziemnych pršdu. Zadziałanie takiego przekanika wystšpi, gdy w obwodzie silników wystšpi zwarcie częci będšcej pod potencjałem WN z częciš uziemionš, np. przebicie izolacji silnika. Zadziałanie takich zabezpieczeń powoduje zwykle otwarcie głównego wyłšcznika lokomotywy, którym najczęciej jest tzw. wyłšcznik szybki.
W skład zabezpieczeń napięciowych wchodzi szereg urzšdzeń zabezpieczajšcych instalacje lokomotywy przed skutkami pojawienia się niedozwolonego potencjału w aparaturze i maszynach, które może być spowodowany zarówno poprzez podstację trakcyjnš, jak i wyładowania atmosferyczne. Sš to wszelkiego rodzaju kondensatory odgromowe, odgromniki zaworowe, odiskrowniki oraz przekaniki elektromagnetyczne. Przekaniki elektromagnetyczne mogš chronić silniki przed pracš przy obniżonym napięciu (przekanik zanikowo-napięciowy), przed pojawieniem się niedozwolonego napięcia na zaciskach silników (przekaniki nadpięciowe), które sš z reguły wykorzystywane podczas hamowania elektrodynamicznego oraz zabezpieczenia polizgowe, badajšce różnice napięć na zaciskach silników i wykrywajšce w ten sposób polizg zestawów kołowych.
Silniki trakcyjne, prawidłowo eksploatowane, sš urzšdzeniami rzadko ulegajšcymi awariš. Ponieważ jednak lokomotywa powinna być jak najbardziej niezawodna, stosuje się rozwišzania pozwalajšce lokomotywie na pracę z odłšczonš częciš silników trakcyjnych, co umożliwia jej samodzielne doprowadzenie pocišgu do najbliższego punktu, gdzie może nastšpić wymiana lokomotywy na sprawnš. Służy do tego układ odpowiednich odłšczników oraz połšczonych z nimi uzależnień. Maszynista po stwierdzeniu awarii silnika trakcyjnego wchodzi do przedziału wysokiego napięcia na lokomotywie i za pomocš odpowiednich sterowników odłšcza uszkodzonš grupę silników z pracy. Najczęstszymi uszkodzeniami silników sš zwarcia doziemne powodowane przebiciem izolacji silnika, uszkodzeniem szczotkotrzymaczy oraz innymi uszkodzeniami, których przyczynš jest uszkodzenie mechaniczne bšd zawilgocenie silnika.