Šinska vozila

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA:

Tema rada: Regulacija vučni elektro- motora i karakteristike

elektromotornih vozila

Student:Tubok Haris

Broj indeksa:7060

ELEKTROMOTORNA VUČNA VOZILA

Elektromotorna vučna vozila se napajaju putem posebnih sistema elektrifikacije. U svijetu se koristi nekoliko sistema elektrifikacije, koji se uglavnom razlikuju prema vrsti i naponu napajanja vozila. Ti sistemi su slijedeći:  sistem istosmjernog napajanja 1.500V, sistem istosmjernog napajanja 3.000V, sistem monofaznog/naizmjeničnog napajanja 15kV i 50/3Hz (industrijska frekvencija), i sistem monofaznog/naizmjeničnog napajanja 25kV, 50Hz.  Princip funkcionisanja elektromotornih vozila na elektrifikovanim prugama je shematski prikazan na slici u nastavku.

Slika 1. Shema funkcionisanja elektro-vuče

Elektrane generišu napon, koji se prenosi sistemom visokonaponske mreže (najčešće 400kV) do elektro-vučnih podstanica (EVP). Elektro-vučne podstanice imaju zadatak transformacije napona (transformatorska stanica-TS) za prilagođavanje datom naponu sistema napajanja u kontaktnoj mreži (KM) i redovno napajanje kontaktne mreže za potrebe vuče. Broj, instalisana snaga i raspored EVP-a na pruzi zavisi od sistema napajanja, dužine vučnog odsjeka na pruzi i predviđenog opterećenja vučnog odsjeka na pruzi.

Oduzimač struje (pantograf) ostvaruje stalni kontakt sa mrežom (KM) i preko njega se vozilo napaja električnom energijom za vuču. Šina kolosijeka predstavlja povratni vod (PV) i ista se posebnim priključkom (uzemljenje) povezuje sa EVP.

Elektromotorno vučno vozilo pretvara dovedenu električnu energiju u mehanički rad na obodima pogonskih točkova. To se realizuje vučnim elektromotorima sa odgovarajućim sklopovima i regulacionim uređajima, koji omogućavaju promjenu vučne sile i brzine vožnje prema uslovima vuče. Elektromotorno vučno vozilo se sastoji od većeg broja dijelova, koji se principijelno mogu podijeliti u dvije grupe sklopova: električne i mehaničke.

U grupu električnih sklopova spadaju:  •pantograf, •krovni visokonaponski razvod, •prenaponski odvod, •glavni prekidač, •transformatori, •ispravljači struje, •vučni motori, •uređaji sa regulaciju brzine vožnje, •uređaj za promjenu smjera vožnje, •oprema za električno kočenje, •pomoćni električni uređaji, •električna oprema za upravljanje, regulaciju, zaštitu, kontrolu i signalizaciju, i•električna instalacija glavnih i pomoćnih strujnih krugova

U grupu mehaničkih sklopova spadaju:  •osovinski sklop, •obrtna postolja, •donje postolje sa vučnom (kvačilo) i odbojnom opremom, •sanduk vozila sa upravljačnicama, •pomoćni uređaji (kompresori, ventilatori, pumpe), i •kočnice.

Vučni elektromotori

Najpodesniji elektromotori za električnu vuču šinskih vozila su kolektorski motori istosmjerne struje. U nastavku su dati osnovni principi funkcionisanja takvih motora. Osnovno magnetno polje motora istosmjerne struje stvara stator kao induktor, sa glavnim polovima i njihovim namotajima. Spektar magnetnog fluksa (silnice polja) kada rotor miruje je dat na slici 2.

Slika 2. Nepokretno magnetno polje indukta

Prostirući se od sjevernog magnetnog pola (N) ka južnom magnetnom polu (S), fluks između statora i rotora pod glavnim polovima je radijalan i približno ravnomjerno raspoređen. U ovoj zoni je maksimalna vrijednost fluksa () i indukcije (B). U prostoru između polova jačina polja slabi i kriva polja će proći kroz "nulu" u tački koja je na sredini rastojanja glavnih polova, u tzv. neutralnoj osi (NO). Računajući lučno rastojanje od neutralne ose, promjena polja pod polom (N) biće predstavljena pozitivnim talasom, a pod polom (S) negativnim talasom. Ovakva promjena indukcije po obimu rotora će se ponoviti onoliko puta koliko induktor ima pari polova.

Magnetno kolo motora je podešeno za realizaciju odgovarajućeg polja statora prema obliku i jačini. Obliki funkcije indukcije (B) je posljedica i posebno oblikovanih istaknutih polova, čija je uloga što potpunije obuhvatanje glavnog magnetnog polja. Međutim, i pored toga dolazi do izvjesnog rasipanja magnetnog polja, predstavljenog dijelom magnetnog fluksa koji se zatvara kroz vazduh između polova.

Ukupni magnetni fluks se dijeli na korisni (') i rasuti ili izgubljeni (''). Koeficijent rasipanja se računa kao odnos ukupno stvorenog fluksa i korisnog fluksa:  

= 1 + ' ''

Vrijednost ovog koeficijenta je u rasponu 1,05-1,20 (5-20% gubitaka). Struja koja protiče kroz namotaje rotora ili indukta stvara magnetno polje rotora. U odnosu na glavno magnetno polje statora, to je parazitno polje koje slabi i deformiše glavno magnetno polje, te otežava rad motora. Uticaj ovog polja se naziva magnetna reakcija indukta. Na magnetno polje rotora bitno utiče prisustvo kolektora.

Provodnici rotora se kreću u pobudnom polju približno sinusoidalno, tj. naizmjenično promjenljivo po obodu međugvožđa. Tako će i indukovana elektromotorna sila biti naizmjeničnog oblika. Da bi se ovaj namotaj mogao povezati sa statorskim namotajem, neophodna je sprega preko kolektora.

Četkica d1 je uvijek u kontaktu sa provodnikom kroz koji protiče struja u smjeru "plus" (+), a četkica d2 propušta struju u smjeru "minus" (-). Na taj način je rotorski namotaj sa stalnom polarizacijom na krajevima putem kolektorskih četkica i može se spojiti sa kolom istosmjerne struje.

Pri istovremenom postojanju oba magnetna polja, stvara se rezultantno polje kao suma pojedinačnih polja. Rezultantno polje nije potpuno homogeno ispod polnih nastavaka glavnih polova, a strujna slika pokazuje da je stvarna neutralna osa (NO) pomjerena od geometrijske neutralne ose za određeni ugao ().

Slika 3. Stvarna slika magnetnih kola bez indukovane struje

Kada se kroz namotaj rotora, koji se nalazi u magnetnom polju statora indukcije (B), propusti struja (I), na svaki od njegovih provodnika će djelovati elektromagnetna sila:  

F = B I l s in d = B I l cos = B I lp p p

/ 2

p

00

2 / /

Slika 4. Nastajanje elektromagnetne sile

Zanemarujući izvjesnu nehomogenost polja, na pravolinijskom provodniku dužine (l), elektromagnetna sila iznosi:

Fp = B Ip l

Veličina magnetne indukcije (B) se može izračunati na slijedeći način:

B = S

= 2 p D l

; S = D l2 p

•S – površina magnetnog polja; •D – prečnik rotora; •l – dužina provodnika; •p – broja pari polova mašine; • 

Struja provodnika (Ip) se izračunava na slijedeći način:

I = I

2 ap

•a – broj paralelnih grana namotaja motora; •I – struja u namotaju rotora;

Na osnovu izraza veličina magnetne indukcije i struja provodnika obrazac za izračunavanje elektromagnetne sile glasi:

F = p

D a Ip

Kada se provodnici namotaja rotora pri radu motora kreću kroz pobudno magnetno polje, u njima će se indukovati elektromotorna sila (EMS). Elektromotorna sila u svakom trenutku se definiše vrijednošću:e=2fNasint. Uticajem kolektora na četkicama, kao izlaznim krajevima namotaja rotora, istosmjerna komponenta EMS-a (srednja vrijednost naizmjenične EMS) se izračunava na slijedeći način:  

E = 1

2 f N s in t d t = 2 f N s in t d t =a a00

•Na – broj navojaka grane namotaja rotora, čije se EMS superponiraju; •f – frekvencija obrtanja motora;

Regulacija vučnih elektromotora

Regulacija broja obrtaja vučnog elektromotora može izvršiti na tri slijedeća načina:

•promjenom napona napajanja (U), koje se vrši prespajanjem motora,

•promjenom vrijednosti predotpora, dodavanjem otpornika unutrašnjem otporu (R), i

•promjenom vrijednosti magnetnog fluksa ()

 

Promjena brzine obrtanja (n) prespajanjem vučnih elektromotra se vrši serijski, serijski-paralelno i paralelno. Shematski prikaz ovih spajanja je dat na slijedećoj slici:

Prespajanje motora se vrši tokom vožnje. Kod pokretanja voza, pri čemu motori povlače veliku struju, pogodna je serijska veza koja daje najveći raspoloživi napon napajanja za svaki motor. Povećanjem brzine vožnje, prespajanje se vrši serijsko-paralelnom vezom, a pri najvećim brzinama kretanja voza paralelnom vezom koja daje najmanji napon napajanja za svaki motor. Pri serijskoj vezi, napon na svakom motoru je približno jednak. Kod serijsko-paralelne veze je taj napon oko jedne polovine ukupno dovedene vrijednosti na spoj. Kod paralelne veze je napon približno jednak na svim motorima, ali je pri tome brzina obrtanja motora četiri puta veća u odnosu na serijsku vezu.

Sve navedene konstatacije se odnose kod elektromotornih vozila sa četiri vučna elektromotora. Bez obzira na to, slični odnosi važe i za varijante sa manjim ili većim brojem vučnih elektromotora kod elektromotornih vozila.

Drugi način regulacije brzine obrtanja elektromotora se ostvaruje promjenom ukupnog otpora (R). Ovaj otpor se sastoji od unutrašnjeg otpora motora (Rm) i vanjskog otpora (Rr). Unutrašnji otpor motora je stalan, pa za regulaciju brzine obrtanja preostaje promjena vanjskog otpora.

n = U - I (R + R ) - U

c m r č

e

•Iz obrasca se može zaključiti da se povećanje brzine obrtanja motora (n) može realizovati smanjenjem vanjskog otpora (Rr). Promjena ovog otpora se vrši stepenasto, pa se i struja rotora motora mijenja u određenim granicama, od svoje minimalne do maksimalne vrijednosti

Slika 5. Shema spajanja stepenastog vanjskog otpora

Slika 6. Promjena brzine (n) pri otporničkoj regulaciji

Pri pokretanju voza, isključene su sve sklopke otpornika i struja prolazi kroz sve otpornike stvarajući najveći mogući pad napona (sa Rm + Rr). Brzina obrtanja motora u tom trenutku ima najnižu vrijednost. Uključivanjem prve sklopke, otpor se smanjuje za R1, a struja dostiže Imax1. Isključivanjem R1 iz kola, povećava se brzina obrtanja motora. Brzina se kontinuirano povećava stalnim isključivanjem pojedinih vanjskih otpora iz kola, sve do izlaska na krajnju regulacionu karakteristiku (Rm na slici 36), pri čemu je Rr = 0. U tom trenutku, elektromotor postiže najveću brzinu obrtanja.

Treći način regulacije brzine obrtanja vučnih elektromotora se ostvaruje tako što se paralelno sa pobudnim namotajem spaja omski otpor (Šant). Cilj je izvršiti slabljenje polja pobude, odnosno smanjenje magnetnog fluksa ().

Slika 7. Promjena brzine (n) pri slabljenju polja pobude

Pri tome se struja grana kroz pobudni namot i otpornik. Postupak šantiranja se izvodi stepenasto, obično u dva ili tri stepena šantiranja. Šantiranje, odnosno slabljenje polja pobude (SP) se izražava u postocima prema slijedećem izrazu:

SP = I - I

I 100 (% )u

Opseg šantiranja je 50-80%. Visoki stepen slabljenja magnetskog polja je ograničen sa mogućim negativnim pojavama na motoru, kao što su iskrenje na četkicama i drugi kvarovi. Šantiranje se uglavnom primjenjuje pri većim brzinama vožnje i najčešće kod zadnjeg stepena prespajanja motora (paralelni), kada se dostiže najmanji napon napajanja po motoru.  

Vučne karakteristike elektromotornih vozila

Snaga koju elektromotor može razvijati je ograničena po tri osnova: komutacija, mehanička čvrstoća obrtnih dijelova i temperatura. Najveća jačina struje je ograničena komutacijom i dopuštenom temperaturom zagrijavanja, koja opet zavisi od kvaliteta izolacije. Najveća brzina obrtanja je ograničena mehaničkom čvrstoćom. Prema dopuštenoj temperaturi se određuju trajni i vremenski ograničeni režimi rada motora. Trajni režim određuje jačinu struje pri datom naponu, sa kojom motor može trajno raditi. U vremensko neograničene režime spadaju 15-minutni, polusatni, satni, itd. Ovi režimi određuju najveću jačinu struje kojom motori mogu biti opterećeni u datom vremenu, a da se pri tome ne prekorači dopuštena temperatura zagrijavanja motora. Motori se obično konstruišu tako da im stepen iskorištenja bude najveći pri trajnom režimu rada motora.

Slika 8. Karakteristike elektromotora

Slika 9. Vučni pasoš lokomotive 441