Question

Zastosowanie silnika prądu stałego. Potrzebuje na jutro !!! Dziękuje ; )

Answer 1

Jednym z licznych zastosowań silnika elektrycznego prdu 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 bezporednio w osi kół (wirnik silnika jest osadzony na osi zestawu). To ostatnie rozwizanie stosowane jest stosunkowo rzadko, ze względu na charakterystykę silnika i zwykle koła napędzane s przez silnik za pomoc układu odpowiednich sprzęgieł i przekładni.
<BR> W niniejszej pracy omówimy silniki trakcyjne stosowane w lokomotywach elektrycznych oraz elektrycznych zespołach trakcyjnych (tzw. jednostkach). 
<BR> Praktycznie wszystkie pojazdy trakcyjne PKP s wyposażone w samowzbudne silniki szeregowe prdu 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 połczone 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, wytwarzajce stały strumień pola, s zasilane z tego samego ródła co uzwojenia twornika (wirnik). Pewn niecisłoci 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 prdnicy. W celu zapewnienia poprawnego działania hamowania elektrodynamicznego stosuje się zwykle odpowiednie przełczenia w układzie oraz zastosowanie obcego wzbudzenia przy małych prędkociach (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.
<BR> Silnik szeregowy prdu stałego posiada bardzo wiele korzystnych cech, które decyduj o zastosowaniu włanie 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 prędkociach wartoć momentu obrotowego silnika szeregowego jest proporcjonalna do kwadratu prdu, natomiast przy większych prędkociach ktowych - proporcjonalna do prdu. Poza tym silnik szeregowy w zakresie prędkoci obrotowych od 0 do prędkoci ustalonej jest mniej przeciżony 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 obciżenia (np. wzniesienie) oraz możliwoć tzw. rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika polega na tym, iż silnik nie obciżony cały czas zwiększa swoj prędkoć obrotow, 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 przyspieszajcym a hamujcym, lecz stanowi poważne zagrożenie w wypadku wystpienia polizgu zestawów kołowych przy rozruchu. Zerwanie przyczepnoci powoduje cigłe zwiększanie prędkoci obrotowej silnika co w połczeniu z duż wartoci prdu płyncego 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 pozytywn właciwoć, iż s przeciżalne. Wynika to z tego, iż silnik elektryczny pobiera energię z zewnętrznego ródła, tzn. sieci trakcyjnej. Właciwie s dwa ograniczenia mocy silników elektrycznych, w tym prdu 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 prd - nagrzewa się. W przypadku krótkotrwałego przeciżenia temperatura pracy nie wzronie raczej do wartoci niedopuszczalnej, więc chwilowe ograniczenie obciżalnoci jest zwizane jedynie z komutacj. Przyjmuje się, że dopuszczalny prd, który nie powoduje nieprawidłowoci ze strony komutacji równa się dwukrotnej wartoci prdu mocy godzinnej silnika, czyli maksymalna moc, jak silnik może osignć w cigu krótkiego okresu czasu to dwukrotna wartoć mocy godzinnej. W praktyce tak projektuje się obwody elektryczne, aby maksymalny prd jaki może popłynć przez uzwojenia silników równał się 1,8~1,9 prdu mocy godzinnej. W przypadku przekroczenia pewnej wartoci prdu płyncego przez silnik powstaje ogień okrężny na komutatorze, co jest powodem uszkodzenia silnika, a nawet pożaru lokomotywy. Z reguły jednak osignięcie tak dużej wartoci prdu jest niemożliwe ze względu na zabezpieczenia nadmiarowe obwodów oraz wczeniejsze zerwanie przyczepnoci kół. Czy przeciżalnoć 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, jak moc lokomotywa ta może osignć w czasie krótkiego okresu czasu - 1,8 x 3120 kW = 5620 kW. A więc w cigu krótkiego okresu czasu dysponujemy moc ponad 5,5 MW - to olbrzymia moc, szczególnie porównujc z dowoln lokomotyw spalinow, której moc jest zawsze równa mocy znamionowej, gdyż silnik spalinowy jest nieprzeciżalny i w przypadku próby przeciżenia - spadaj jego obroty, następuje spadek napięcia prdnicy głównej, zadziałaj zabezpieczenia nadmiarowe silników trakcyjnych bd zabezpieczenia od strony Diesla. 

Kolejnym omawianym zagadnieniem będzie regulacja silnika szeregowego prdu stałego, czyli sterowanie jego obciżeniem oraz prędkoci obrotow. Istniej dwa sposoby zmian prędkoci obrotowej silnika prdu stałego, wynikajce ze wzoru na prędkoć ktow - poprzez zmianę napięcia na jego zaciskach oraz przez zmianę strumienia pola wzbudzenia. 
<BR> Zmianę napięcia na zaciskach silników możemy spowodować kilkoma sposobami, jednak najpowszechniejsz metod, stosowan w taborze PKP jest zastosowanie w obwodzie opornoci oraz zmiana układu połczeń silników. 

Opornoć w obwodzie powodowana jest włczeniem do niego szeregowo oporników rozruchowych, które ograniczaj napięcie na silnikach oraz wartoć prdu płyncego 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 osignięta jak najszybciej, gdyż następuj olbrzymie straty energii w opornikach oraz występuje ich przeciżenie 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 prdu płyncego 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 prd - tym wentylatory chodz szybciej, a w przypadku gdy wyeliminujemy opory - spadek napięcia będzie się równał zero i wentylatory wyłcz się. 

Zmiana układu połczeń powoduje, iż napięcia na silnikach będ podzielone w inny sposób i będ przyjmowały różne wartoci. Zmiana układu odbywa się dziękizastosowaniu odpowiednich styczników, bd zespolonych nastawników grupowych (w przypadku większej iloci silników). Jak wiemy - cztery silniki trakcyjne możemy połczyć w trzy układy - szeregowy (wszystkie silniki w szeregu), szeregowo-równoległy (dwie grupy po dwa silniki pracujce w szeregu połczone równolegle) lub równoległy (wszystkie silniki pracujce równolegle). Ze względów konstrukcyjnych stosuje się tzw. grupy dwusilnikowe, to znaczy, że po dwa silniki pracujce w szeregu tworz grupę. W takim wypadku cztery silniki możemy połczyć 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 połczyć w trzy układy - szeregowy, szeregowo-równoległy (dwie grupy trzech silników połczonych w szereg połczone równolegle) oraz równoległy. Napięcia na każdym silniku będ wtedy wynosiły 500V (szeregowe), 1000V (szeregowo-równolegle) oraz 1500V (równoległe).
<BR> Regulację prędkoci poprzez zmianę wzbudzenia uzyskuje się po uzyskaniu jazdy bezoporowej w okrelonym układzie. Jak wiemy, ze wzoru na prędkoć ktow 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 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 włczona jest szeregowo opornoć indukcyjna (tzw. boczniki indukcyjne), które łagodz wpływ gwałtownych zmian napięcia na pracę silnika, gdyż w stanie naturalnym (z pełnym wzbudzeniem) funkcję dławic spełniaj włanie uzwojenia wzbudzenia, które zostaj bocznikowane w procesie osłabiania pola i w stanach nieustalonych funkcję tę spełniaj zastępczo włanie boczniki indukcyjne.
<BR> Kolejnym zagadnieniem jest koniecznoć przystosowania silników do pracy w obydwu kierunkach wirowania. Zmianę kierunku obrotów dokonuje się bardzo prosto, poprzez zmianę kierunku prdu w uzwojeniach wzbudzenia. Urzdzeniem służcym do dokonywania takiego przełczenia s tzw. nawrotniki, czyli elektropneumatyczne nastawniki przełczajce odpowiednie styki. 
<BR> Ostatnim problemem jest zabezpieczenie silników trakcyjnych przed uszkodzeniem i prac w stanie uszkodzonym oraz problem wystpienia 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 wchodz tzw. przekaniki nadmiarowo-prdowe, które chroni silniki przed skutkami przeciżeń. Ich zadziałanie następuje, gdy przez obwód silników popłynie prd wyższy od prdu nastawienia przekanika i spowoduj otwarcie odpowiednich styczników w celu odcięcia dopływu prdu (zwykle styczników liniowych). Zabezpieczeniem nadmiarowym mog być także bezpieczniki topikowe. 
<BR> W skład zabezpieczeń ziemnozwarciowych wchodzi tzw. przekanik różnicowo-prdowy, który zabezpiecza silniki przed skutkami zwarć częciowych i zwizanych z nimi dużych upływnoci doziemnych prdu. Zadziałanie takiego przekanika wystpi, gdy w obwodzie silników wystpi zwarcie częci będcej pod potencjałem WN z częci uziemion, np. przebicie izolacji silnika. Zadziałanie takich zabezpieczeń powoduje zwykle otwarcie głównego wyłcznika lokomotywy, którym najczęciej jest tzw. wyłcznik szybki. 
<BR> W skład zabezpieczeń napięciowych wchodzi szereg urzdzeń zabezpieczajcych instalacje lokomotywy przed skutkami pojawienia się niedozwolonego potencjału w aparaturze i maszynach, które może być spowodowany zarówno poprzez podstację trakcyjn, jak i wyładowania atmosferyczne. S to wszelkiego rodzaju kondensatory odgromowe, odgromniki zaworowe, odiskrowniki oraz przekaniki elektromagnetyczne. Przekaniki elektromagnetyczne mog chronić silniki przed prac przy obniżonym napięciu (przekanik zanikowo-napięciowy), przed pojawieniem się niedozwolonego napięcia na zaciskach silników (przekaniki nadpięciowe), które s z reguły wykorzystywane podczas hamowania elektrodynamicznego oraz zabezpieczenia polizgowe, badajce różnice napięć na zaciskach silników i wykrywajce w ten sposób polizg zestawów kołowych. 
<BR> Silniki trakcyjne, prawidłowo eksploatowane, s urzdzeniami rzadko ulegajcymi awari. Ponieważ jednak lokomotywa powinna być jak najbardziej niezawodna, stosuje się rozwizania pozwalajce lokomotywie na pracę z odłczon częci silników trakcyjnych, co umożliwia jej samodzielne doprowadzenie pocigu do najbliższego punktu, gdzie może nastpić wymiana lokomotywy na sprawn. Służy do tego układ odpowiednich odłczników oraz połczonych z nimi uzależnień. Maszynista po stwierdzeniu awarii silnika trakcyjnego wchodzi do przedziału wysokiego napięcia na lokomotywie i za pomoc odpowiednich sterowników odłcza uszkodzon 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.