Silnik trakcyjny - Traction motor

Silnik trakcyjny jest silnik elektryczny, stosowany do napędu pojazdów, takich jak lokomotywy , elektrycznych lub pojazdów wodoru , wind lub elektrycznej jednostki wielokrotnej .

Silniki trakcyjne są stosowane w pojazdach szynowych o napędzie elektrycznym ( elektryczne zespoły trakcyjne ) i innych pojazdach elektrycznych, w tym w elektrycznych pływakach do mleka , windach , kolejkach górskich , przenośnikach i trolejbusach , a także pojazdach z układami transmisji elektrycznej ( lokomotywy spalinowo-elektryczne , elektryczne pojazdy hybrydowe ) oraz akumulatorowe pojazdy elektryczne .

Typy silników i sterowanie

Silniki prądu stałego z szeregowymi uzwojeniami polowymi są najstarszym typem silników trakcyjnych. Zapewniają one charakterystykę prędkość-moment przydatną w napędzie, zapewniając wysoki moment obrotowy przy niższych prędkościach w celu przyspieszenia pojazdu i malejący moment obrotowy wraz ze wzrostem prędkości. Poprzez zorganizowanie uzwojenia pola za pomocą wielu zaczepów można zmieniać charakterystykę prędkości, umożliwiając stosunkowo płynną kontrolę przyspieszenia przez operatora. Dalszy pomiar kontroli jest zapewniony przez użycie par silników w pojeździe w sterowaniu szeregowo-równoległym ; w przypadku powolnej pracy lub dużych obciążeń dwa silniki mogą być uruchamiane szeregowo przy zasilaniu prądem stałym. Tam, gdzie pożądana jest wyższa prędkość, silniki te mogą pracować równolegle, zapewniając wyższe napięcie na każdym z nich, a tym samym umożliwiając wyższe prędkości. Części systemu kolejowego mogą wykorzystywać różne napięcia, z wyższymi napięciami w długich odcinkach między stacjami i niższym napięciem w pobliżu stacji, gdzie potrzebne jest tylko wolniejsze działanie.

Wariantem systemu prądu stałego jest silnik serii AC, znany również jako silnik uniwersalny , który jest zasadniczo tym samym urządzeniem, ale działa na prąd zmienny . Ponieważ zarówno twornik, jak i prąd pola odwracają się w tym samym czasie, zachowanie silnika jest podobne do tego, gdy jest zasilany prądem stałym. Aby osiągnąć lepsze warunki pracy, koleje prądu przemiennego są często zasilane prądem o niższej częstotliwości niż komercyjne zasilanie wykorzystywane do ogólnego oświetlenia i zasilania; stosowane są specjalne elektrownie trakcyjne prądowe lub przekształtniki obrotowe do konwersji energii handlowej 50 lub 60 Hz na 25 Hz lub 16+ Częstotliwość 23 Hz stosowana w silnikach trakcyjnych prądu przemiennego. Układ AC pozwala na sprawne rozprowadzenie mocy wzdłuż linii kolejowej, a także pozwala na sterowanie prędkością za pomocą rozdzielnicy na pojeździe.

Silniki indukcyjne prądu przemiennego i silniki synchroniczne są proste i mało wymagające w utrzymaniu, ale niewygodne w zastosowaniu do silników trakcyjnych ze względu na ich stałą charakterystykę prędkości. Silnik indukcyjny prądu przemiennego generuje użyteczne ilości energii tylko w wąskim zakresie prędkości, określonym przez jego konstrukcję i częstotliwość zasilania prądem przemiennym. Pojawienie się półprzewodników mocy umożliwiło zamontowanie napędu o zmiennej częstotliwości w lokomotywie; umożliwia to szeroki zakres prędkości, przenoszenie mocy prądu przemiennego i wytrzymałe silniki indukcyjne bez zużywających się części, takich jak szczotki i komutatory.

Zastosowania transportowe

Pojazdy drogowe

Tradycyjnie w pojazdach drogowych (samochodach osobowych, autobusach i ciężarówkach) stosowane są silniki wysokoprężne i benzynowe z mechanicznym lub hydraulicznym układem przeniesienia napędu. W drugiej połowie XX wieku zaczęto opracowywać pojazdy z elektrycznymi układami przeniesienia napędu (zasilane z silników spalinowych , akumulatorów lub ogniw paliwowych ) – jedną z zalet korzystania z maszyn elektrycznych jest to, że określone typy mogą regenerować energię (tj. działać jako regeneracyjny hamulec ) — zapewnia hamowanie, a także zwiększa ogólną wydajność poprzez ładowanie akumulatora.

Szyny kolejowe

Lokomotywa Szwajcarskich Kolei Retyckich Ge 6/6 I Krokodil , z jednym dużym silnikiem trakcyjnym nad każdym wózkiem, z napędem za pomocą drążków sprzęgających.

Tradycyjnie były to szczotkowane silniki prądu stałego z uzwojeniem szeregowym , zwykle zasilane napięciem około 600 woltów. Dostępność półprzewodników o dużej mocy ( tyrystory i IGBT ) umożliwiła teraz zastosowanie znacznie prostszych, bardziej niezawodnych silników indukcyjnych prądu przemiennego, znanych jako asynchroniczne silniki trakcyjne. Sporadycznie stosowane są również silniki synchroniczne prądu przemiennego , jak we francuskim TGV .

Montaż silników

Przed połową XX wieku jeden duży silnik był często używany do napędzania wielu kół napędowych przez korbowody, które były bardzo podobne do tych stosowanych w lokomotywach parowych . Przykładami są Pennsylvania Railroad DD1 , FF1 i L5 oraz różne szwajcarskie krokodyle . Obecnie standardową praktyką jest zapewnienie jednego silnika trakcyjnego napędzającego każdą oś poprzez przekładnię zębatą.

Zawieszony na dziobie silnik trakcyjny prądu stałego do czeskiej lokomotywy ČD klasy 182

Zazwyczaj silnik trakcyjny jest zawieszony w trzech punktach pomiędzy ramą wózka a osią napędzaną; jest to określane jako „silnik trakcyjny z zawieszeniem nosowym”. Problem z takim układem polega na tym, że część ciężaru silnika jest nieresorowana , co zwiększa niepożądane siły działające na tor. W przypadku słynnej kolei Pennsylvania Railroad GG1 , dwa silniki montowane na wózku napędzały każdą oś poprzez napęd piórowy . Lokomotywy elektryczne „ Bi-Polar ” budowane przez General Electric dla Milwaukee Road miały silniki z napędem bezpośrednim. Obrotowy wał silnika był jednocześnie osią kół. W przypadku francuskich samochodów TGV silnik zamontowany na ramie samochodu napędza każdą oś; napęd „trójnóg” zapewnia niewielką elastyczność w układzie napędowym, umożliwiając obracanie się wózków wózków. Montując stosunkowo ciężki silnik trakcyjny bezpośrednio do ramy samochodu napędowego, a nie do wózka, uzyskuje się lepszą dynamikę, umożliwiającą lepszą pracę przy dużych prędkościach.

Uzwojenia

Silnik prądu stałego był przez wiele lat podstawą elektrycznych napędów trakcyjnych lokomotyw elektrycznych i spalinowo-elektrycznych, tramwajów/tramwajów oraz wiertnic spalinowo-elektrycznych. Składa się z dwóch części, zwory obrotowej i uzwojeń pola stałego otaczających zworę obrotową zamontowaną wokół wału. Uzwojenia pola stałego składają się z ciasno nawiniętych zwojów drutu umieszczonych wewnątrz obudowy silnika. Zwora jest kolejnym zestawem cewek nawiniętych wokół centralnego wału i jest połączony z uzwojeniami wzbudzenia za pomocą „szczotek”, które są sprężynowymi stykami dociskającymi do przedłużenia zwory zwanego komutatorem . Komutator zbiera wszystkie zakończenia cewek twornika i rozprowadza je po okręgu, aby umożliwić prawidłową sekwencję przepływu prądu. Gdy twornik i uzwojenia polowe są połączone szeregowo, cały silnik jest określany jako „z uzwojeniem szeregowym”. Silnik prądu stałego z uzwojeniem szeregowym ma pole o niskiej rezystancji i obwód twornika. Z tego powodu po przyłożeniu do niego napięcia prąd jest wysoki zgodnie z prawem Ohma . Zaletą wysokiego prądu jest to, że pola magnetyczne wewnątrz silnika są silne, wytwarzając wysoki moment obrotowy (siła skrętu), dzięki czemu idealnie nadaje się do uruchamiania pociągu. Wadą jest to, że prąd płynący do silnika musi być ograniczony, w przeciwnym razie może dojść do przeciążenia zasilania lub uszkodzenia silnika i jego okablowania. W najlepszym razie moment obrotowy przekroczyłby przyczepność i koła napędowe by się ślizgały. Tradycyjnie do ograniczenia prądu początkowego używano rezystorów .

Regulacja mocy

Gdy silnik prądu stałego zaczyna się obracać, oddziaływanie pól magnetycznych wewnątrz powoduje generowanie przez niego wewnętrznego napięcia. Ta siła przeciwelektromotoryczna (CEMF) przeciwstawia się przyłożonemu napięciu, a przepływający prąd jest regulowany przez różnicę między nimi. Gdy silnik przyspiesza, wewnętrznie generowane napięcie wzrasta, wypadkowa siła elektromotoryczna spada, mniej prądu przepływa przez silnik i moment obrotowy spada. Silnik naturalnie przestaje przyspieszać, gdy opór pociągu odpowiada momentowi obrotowemu wytwarzanemu przez silniki. Aby kontynuować przyspieszanie pociągu, rezystory szeregowe są wyłączane krok po kroku, każdy krok zwiększa efektywne napięcie, a tym samym prąd i moment na trochę dłużej, aż silnik dogoni. Można to usłyszeć i poczuć w starszych pociągach prądu stałego jako serię stuknięć pod podłogą, z których każdemu towarzyszy szarpnięcie przyspieszenia, gdy moment obrotowy nagle wzrasta w odpowiedzi na nowy wzrost prądu. Gdy w obwodzie nie ma żadnych rezystorów, pełne napięcie sieciowe jest podawane bezpośrednio do silnika. Prędkość pociągu pozostaje stała w punkcie, w którym moment obrotowy silnika, regulowany przez napięcie efektywne, jest równy oporowi – czasami określane jako prędkość równoważąca. Jeśli pociąg zaczyna wspinać się po pochyłości, prędkość spada, ponieważ opór jest większy niż moment obrotowy, a zmniejszenie prędkości powoduje spadek wartości CEMF, a tym samym wzrost efektywnego napięcia - aż prąd płynący przez silnik wytworzy wystarczający moment obrotowy, aby dopasować się do nowego oporu . Stosowanie rezystancji szeregowej było marnotrawstwem, ponieważ dużo energii tracono w postaci ciepła. Aby zmniejszyć te straty, lokomotywy elektryczne i pociągi (przed pojawieniem się energoelektroniki ) były również standardowo wyposażone w sterowanie szeregowo-równoległe .

Lokomotywy zasilane ze źródeł prądu przemiennego (wykorzystujące silniki uniwersalne jako silniki trakcyjne) mogą również korzystać z przełączników zaczepów na swoich transformatorach, aby zmieniać napięcie doprowadzane do silników trakcyjnych bez strat związanych z rezystorami. Pennsylvania Railroad klasa GG1 był przykładem takiej lokomotywy.

Hamowanie dynamiczne

Jeśli pociąg zaczyna zjeżdżać w dół, prędkość wzrasta, ponieważ (zmniejszony) opór jest mniejszy niż moment obrotowy. Wraz ze wzrostem prędkości, wewnętrznie generowane napięcie przeciwelektromotoryczne wzrasta, zmniejszając moment obrotowy, aż moment obrotowy ponownie zrównoważy opór. Ponieważ prąd pola jest redukowany przez przeciw-EMF w silniku z uzwojeniem szeregowym, nie ma prędkości, przy której przeciw-EMF przekroczy napięcie zasilania, a zatem sam silnik trakcyjny na prąd stały z pojedynczym uzwojeniem szeregowym nie może zapewnić dynamicznego lub regeneracyjnego hamowania.

Istnieją jednak różne schematy stosowane w celu zapewnienia siły opóźniającej za pomocą silników trakcyjnych. Wytworzona energia może zostać zwrócona do zasilania (hamowanie odzyskowe) lub rozproszona przez wbudowane rezystory (hamowanie dynamiczne). Taki system może doprowadzić ładunek do niskiej prędkości, wymagając stosunkowo niewielkiego hamowania ciernego w celu całkowitego zatrzymania ładunku.

Automatyczne przyspieszenie

W pociągu elektrycznym maszynista początkowo musiał ręcznie sterować odcięciem oporu, ale w 1914 roku zastosowano automatyczne przyspieszenie. Osiągnięto to za pomocą przekaźnika przyspieszającego (często nazywanego „przekaźnikiem wycinającym”) w obwodzie silnika, który monitorował spadek prądu po odcięciu każdego stopnia oporu. Jedyne, co musiał zrobić kierowca, to wybrać niską, średnią lub pełną prędkość (zwaną „seryjną”, „równoległą” i „bocznikową” od sposobu podłączenia silników w obwodzie oporowym), a automatyka zrobi resztę.

Ocena

Lokomotywy elektryczne zwykle mają ciągłą i jednogodzinną ocenę. Ocena jednogodzinna to maksymalna moc, jaką silniki mogą stale rozwijać w ciągu godziny bez przegrzania. Taki test zaczyna się od silników w temperaturze +25 °C (a powietrze zewnętrzne używane do wentylacji również w temperaturze +25 °C). W ZSRR, zgodnie z GOST 2582-72 z izolacją klasy N, maksymalne dopuszczalne temperatury silników prądu stałego wynosiły 160 °C dla twornika, 180 °C dla stojana i 105 °C dla kolektora. Ocena jednogodzinna jest zwykle o około dziesięć procent wyższa niż ocena ciągła i jest ograniczona przez wzrost temperatury w silniku.

Ponieważ silniki trakcyjne wykorzystują konfigurację przekładni redukcyjnej do przenoszenia momentu obrotowego z twornika silnika na oś napędzaną, rzeczywiste obciążenie na silniku zmienia się wraz z przełożeniem. W przeciwnym razie „identyczne” silniki trakcyjne mogą mieć znacząco różną obciążalność. Silnik trakcyjny przystosowany do użytku w transporcie towarowym z niskim przełożeniem będzie bezpiecznie wytwarzał wyższy moment obrotowy na kołach przez dłuższy czas przy tym samym poziomie prądu, ponieważ niższe biegi dają silnikowi większą przewagę mechaniczną.

W spalinowo-elektrycznych i lokomotywy elektryczne turbiny gazowe , moc znamionowa silników trakcyjnych wynosi zwykle około 81% siły działania źródła napędu . Zakłada się, że generator elektryczny przekształca 90% mocy silnika w energię elektryczną, a silniki trakcyjne przekształcają 90% tej energii elektrycznej z powrotem w energię mechaniczną. Obliczenia: 0,9 × 0,9 = 0,81

Indywidualne moce silników trakcyjnych zwykle sięgają 1600 kW (2100 KM).

Innym ważnym czynnikiem przy projektowaniu lub specyfikacji silników trakcyjnych jest prędkość robocza. Twornik silnika ma maksymalną bezpieczną prędkość obrotową, przy której lub poniżej uzwojenia pozostaną bezpiecznie na swoim miejscu.

Powyżej tej maksymalnej prędkości siła odśrodkowa działająca na twornik spowoduje wyrzucenie uzwojeń na zewnątrz. W ciężkich przypadkach może to prowadzić do „ptasich gniazdowania”, ponieważ uzwojenia stykają się z obudową silnika i ostatecznie całkowicie odrywają się od twornika i rozwijają.

Zagnieżdżanie ptaków (odśrodkowe wyrzucanie uzwojeń twornika) na skutek nadmiernej prędkości może występować zarówno w pracujących silnikach trakcyjnych lokomotyw napędzanych, jak i w silnikach trakcyjnych lokomotyw typu dead-in-consist przewożonych w pociągu jadącym zbyt szybko. Inną przyczyną jest wymiana zużytych lub uszkodzonych silników trakcyjnych na zespoły niewłaściwie przystosowane do danego zastosowania.

Uszkodzenia spowodowane przeciążeniem i przegrzaniem mogą również powodować zagnieżdżanie ptaków poniżej prędkości znamionowych, gdy zespół zwory oraz wsporniki uzwojenia i elementy ustalające zostały uszkodzone w wyniku poprzedniego nadużycia.

Chłodzenie

Ze względu na wysoki poziom mocy silniki trakcyjne są prawie zawsze chłodzone sprężonym powietrzem, wodą lub specjalnym płynem dielektrycznym.

Typowe systemy chłodzenia w amerykańskich lokomotywach spalinowo-elektrycznych składają się z napędzanego elektrycznie wentylatora wdmuchującego powietrze do kanału zintegrowanego z ramą lokomotywy. Gumowe kanały chłodzące łączą przejście z poszczególnymi silnikami trakcyjnymi, a powietrze chłodzące wędruje w dół i w poprzek tworników, zanim zostanie wypuszczone do atmosfery.

Producenci

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

  • Koleje Brytyjskie (1962). „Sekcja 13: Kontrola trakcji”. Podręcznik trakcji dla silników Diesla (wyd. 1). Brytyjska Komisja Transportu. s. 172–189.
  • Bolton, William F. (1963). Podręcznik kolejarza Diesla (4 wyd.). s. 107–111, 184–190.

Linki zewnętrzne