ELEKTRICKÁ TRAKCE 2. STUPŇOVÉ ŘÍZENÍ SÉRIOVÉHO MOTORU

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru Obsah 27.3.2006 ETR220.doc

Doc. Ing. Jiří Danzer CSc.

ELEKTRICKÁ TRAKCE 2. STUPŇOVÉ ŘÍZENÍ SÉRIOVÉHO MOTORU 2. vydání

Obsah 1

Sériový motor ................................................................................................................................... 3 1.1

Uspořádání a základní vlastnosti .............................................................................................. 3

1.1.1

Omezení komutátorem ...................................................................................................... 4

1.1.2

Konstrukce ......................................................................................................................... 4

1.1.3

Náhradní schéma ............................................................................................................... 6

1.1.4

Magnetizační charakteristika a reakce kotvy ..................................................................... 7

1.2

Náhradní schéma, charakteristiky ........................................................................................... 13

1.2.1

2

Šentování ......................................................................................................................... 14

1.3

Ztráty ....................................................................................................................................... 15

1.4

Oteplení a chlazení ................................................................................................................. 18

Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení ............................................................................ 20 2.1

Řízení předřadnými odpory ..................................................................................................... 20

2.2

Změna směru točení a šentování............................................................................................ 21

2.3

Skupinové řazení..................................................................................................................... 23

2.4

Ztráty při rozjezdu.................................................................................................................... 25

3

Tramvajová brzda ........................................................................................................................... 27

4

Ochrany v trakčním obvodu ........................................................................................................... 31

5

Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením ................................................................................. 33

6

Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech ................................................................................. 38

7

6.1

Celkové uspořádání ................................................................................................................ 38

6.2

Transformátor a napájecí síť ................................................................................................... 39

6.3

Usměrnění a vyhlazení ........................................................................................................... 42

6.4

Trakční motory ........................................................................................................................ 53

6.5

Charakteristiky......................................................................................................................... 54

Cize buzená odporová brzda ......................................................................................................... 57 7.1

Zapojení a vlastnosti ............................................................................................................... 57

7.2

Odporníky ................................................................................................................................ 60 -1-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru Obsah 8

Proudy vyvolané remanencí ........................................................................................................... 63

9

Střídavá vozidla se stupňovým řízením ......................................................................................... 65 9.1

Ostatní trakční přístroje a ochrany .......................................................................................... 65

9.2

Příklad trakčních obvodů realizované lokomotivy ................................................................... 66

10 Literatura ........................................................................................................................................ 68

-2-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor

1 SÉRIOVÝ MOTOR Stejnosměrný sériový motor je klasickým trakčním motorem a pro trakční účely byl využíván prakticky výlučně až do zavedení měničové techniky, která umožnila plynulou regulaci cize buzeného stejnosměrného motoru a později i kmitočtové řízení asynchronních a synchronních motorů.

1.1

USPOŘÁDÁNÍ A ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI Stejnosměrný stroj je při napájení stejnosměrným proudem ideálním zdrojem momentu s jasně

odděleným obvodem pro řízení proudu v kotvě a v buzení, bez zvlnění momentu a s možností dosáhnout značného momentového přetížení v klidu (i když jen po omezenou dobu). Sériový motor je vzhledem ke své měkké otáčkové charakteristice jediný motor, který lze celkem bez problémů řídit stupňovitou změnou napětí. Může být napájen stejnosměrným proudem nebo stejnosměrným zvlněným proudem (střídavá vozidla s usměrňovačem). Pro tyto své vlastnosti byl sérový motor používán i s napájením střídavým proudem na vozidlech pro 2

systém 15 kV, 16 /3 Hz před hromadným zavedením polovodičových usměrňovačů. Protože k jeho použití u nás nedošlo a v zemích, kde byl využíván se už tyto motory pro nová vozidla dávno nepoužívají zmíníme se o něm pouze letmo. Zapojení je na Obr. 1. Motory byly vždy kompenzované, vinutí hlavních pólů bylo trvale zašentováno (odpor Rs) a dále se nešentovalo. Důvodem bylo vytvořit vhodné fázové poměry mezi proudy v buzení a v kotvě tak, aby byla komutace přijatelná. Přes to bylo nutno použít napájení sníženým kmitočtem a motory se stavěly na nízké napětí (a velké proudy). Přesto byla jejich komutace zvláště při rozjezdu poměrně špatná.

Obr. 1 Zapojení sériového motoru pro napájení střídavým napětím (str_mot.dwg) Stator těchto motorů byl plně lištěný a všechna vinutí byla uložena v drážkách, jak je schematicky naznačeno na Obr. 2.

Obr. 2 Schematické uspořádání vinutí na statoru (str_mot.dwg)

-3-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor 1.1.1

OMEZENÍ KOMUTÁTOREM

Nedostatky stejnosměrného motoru vyplývají především z vlastností komutátoru jako „mechanického střídače, synchronizovaného s otáčením rotoru tak, aby vektory proudu kotvy a magnetického toku v buzení byly navzájem kolmé“ - řečeno v moderních pojmech. Omezení z hlediska komutátoru se týkají zejména •

omezení doby zatížení v klidu, kdy jeho nerovnoměrným ohřevem (ohřev pouze lamel, na nichž

stojí kartáče) může dojít k deformaci (ovalitě) komutátoru a následně ke zhoršení komutace, opotřebení kartáčů atd., •

omezení maximálních otáček resp. obvodové rychlosti komutátoru vzhledem k jeho složité

konstrukci (a ovšem i vinutí kotvy), odstředivé síly mohou (například při přeotáčkách při prokluzu) způsobit průhyb lamel, uvolnění a vysunutí mezilamelové izolace atd., •

omezení napětí stroje velikostí lamelového napětí, které ještě zaručí přijatelnou komutaci stroje

(napětí stroje se rozloží na počet lamel, které se nacházejí mezi sousedními sadami kartáčů rozdílné polarity, a to obecně nerovnoměrně); pro čtyřpólové stroje je tak napětí omezeno na asi 1500…2000 V, zároveň je omezen i rozsah možného odbuzení (které zhoršuje rozdělení lamelového napětí), •

omezení oteplení kotvy a protože pro všechny třídy izolace vinutí platí přirozeně stejné oteplení

komutátoru; komutátor může být ohříván i vinutím, takže nelze nejvyšší izolační třídy oteplení vlastně využít, •

komutátor a sběrací ústrojí představuje neizolované části pod napětím, vystavené všem vlivům

prostředí, především možným nečistotám, vodě, sněhu v chladicím vzduchu, •

komutátor a především sběrací ústrojí (kartáče) vyžadují pravidelnou a poměrně častou kontrolu a

údržbu v provozu. Komutace sama je děj, který je ovlivněn mnoha faktory. Za jinak stejných okolností (napětí, proud, otáčky) závisí významně na druhu kartáčů. Jejich optimální volba je věcí dlouhodobé zkušenosti. Komutace závisí také na povrchové vrstvě komutátoru, která se vytvoří při průtoku proudu přes kartáče. Pokud se tato vrstva odstraní (při přetočení nebo při delším chodu motoru bez proudu při tažení vozidla na větší vzdálenosti) bude stroj až do jejího obnovení komutovat hůře. Pro dopravu se proto někdy kartáče neosazují nebo zajistí ve zvednuté poloze. O empirické povaze mnoha jevů spojených s komutací svědčí zřetelně i fakt, že jakost komutace se přes usilovné hledání objektivních metod stanoví odborným pohledem na komutátor za chodu. Provozní podmínky trakčních strojů jsou obecně velmi náročné a vyznačují se především velkou proměnlivostí zatížení s pravidelným a často značným přetěžováním (při rozjezdech), což vede ke značným změnám teploty vinutí, jeho dilataci a namáhání především izolace kotvy, která je navíc namáhána i vibracemi a rázy při jízdě. Při tom kritickou veličinu, teplotu kotvy nelze spolehlivě za provozu měřit. Zatěžování (a přetěžování) motoru v provozu proto závisí pouze na zkušenosti strojvedoucích. 1.1.2

KONSTRUKCE

Hlavní části motoru jsou •

kostra statoru, zpravidla z lité oceli, která vede stejnosměrný (budicí) magnetický tok; při rychlých

změnách toku (při přechodných jevech) se ovšem mohou uplatnit vířivé proudy; zároveň se motor za jízdy povrchem částečně chladí, což je efekt, který se při měření na zkušebně neuplatní, -4-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor •

hlavní póly mohou být také masivní nebo z výrobních důvodů i lištěné; nesou budicí vinutí, jehož

ztráty se odvádí jak vzduchem tak i do kostry; pólové nástavce jsou vždy lištěné s ohledem na omezení povrchových ztrát v důsledku kolísání magnetického sycení mezi pólovým nástavcem a kotvou v důsledku drážkování kotvy a případně i nástavce (kompenzační vinutí), •

pomocné komutační póly bývají masivní a kromě vzduchové mezery mezi čelem a kotvou mívají i

další nastavitelnou vzduchovou mezeru u jha, kterou se na zkušebně nastaví optimální komutace stroje, •

kotva je nejnamáhanější částí stroje, je namáhána mechanicky, tepelně i elektricky, je vždy lištěná,

protože v jejím vinutí protéká střídavý, přibližně lichoběžníkový (harmonické!) proud s kmitočtem f =

pn , 60

•

komutátor a sběrací ústrojí (viz výše),

•

ložiska, vždy valivá, mazaná tukem s výpočtovou životností alespoň 100 000 hod. při namáhání

otřesy a případně i zubovými silami z převodu, •

přenos momentu (kloubový hřídel, spojky různého typu, tlapové zavěšení aj. viz ETR 1.).

Sériový motor má v sérii s kotvou a vinutím pomocných pólů a případně kompenzace zapojeno i vinutí budicí. Poslední je vždy vyvedeno zvlášť pro změnu směru točení a šentování. Kompaundní stroje se užívaly dříve a spíše výjimečně, o cize buzených bude pojednáno v ETR 3. Typické uspořádání trakčního motoru pro lokomotivy je na Obr. 3 a Obr. 4.

Obr. 3 Podélný řez trakčního motoru Al4446 pro střídavé lokomotivy s vysokonapěťovou regulací pro ČSD, 750V, 710 kW, max. 1810 ot/min., upevněný v rámu podvozku, přenos momentu kloubovým hřídelem, dobře je patrné provedení pohonu s kloubovým hřídelem (al4446.bmp)

-5-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor

Obr. 4 Příčný řez stejnosměrného sériového trakčního motoru ŠKODA Al 4446iP (al4446.bmp)

1.1.3

NÁHRADNÍ SCHÉMA

Náhradní schéma motoru je na Obr. 5 v různých stupních zjednodušení. Uvedená označení budeme nadále používat. K uvedeným prvkům náhradního schématu poznamenejme •

všechny odpory se mění s teplotou asi o 0,4%/K, což je při značném kolísání teploty stroje

významné (pro minimální teplotu okolí -30°C a maxim ální teplotu pro třídu izolace C až 240°C jde o celkovou změnu o 108%), •

úbytek na kartáčích se u sledovaných typů strojů uplatní prakticky jen při vyšetřování proudů

buzených remanencí, případně při určování minimální rychlosti při brzdě (jeho hodnota je okolo 2,5V pro dva přechody), •

indukované napětí závisí na otáčkách a budicím magnetickém toku, u strojů bez kompenzace

také na proudu v kotvě (viz dále), •

indukčnost kotvy je poměrně malá, na proudu málo závislá a u kompenzovaných strojů asi

čtvrtinová v porovnání se strojem sériovým. Pro nekompenzovaný stroj platí přibližně [1]. r. 1 •

La ≈ 0,6

E jm pω jmIk

-1

[H, V, s ,A]

indukčnost buzení je značná a silně závislá na budicím proudu, je úměrná přibližně směrnici

charakteristiky naprázdno nebo směrnici sečny z počátku do pracovního bodu (v závislosti na řešeném problému) s přihlédnutím k rozptylu hlavních pólů (řádově 10-20%), -6-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor •

vliv vířivých proudů ve jhu statoru zjednodušeně znázorněný induktivně vázaným odporem se

uplatní jen při poruchových přechodových jevech (zkraty); po omezenou dobu se stroj chová jako cize buzený, rychlé změny magnetizačního proudu jsou kompenzovány účinkem vířivých proudů.

Obr. 5 Zapojení a náhradní schémata stejnosměrného motoru: zapojení, úplné náhradní schéma, náhradní schéma pro provozní přechodné stavy, náhradní schéma pro ustálené stavy (ssmot1.dwg) Pro vyšetřování elektromechanických jevů (například poměrů při skluzu) je důležitý moment 2

setrvačnosti kotvy J [kgm ]. Podle [1] r. 2

J ≈ (0,5...2 )

M jm

2

-1

[kgm , Nm, s ]

ω jm

Pro dříve používaný údaj GD platí vztah GD 2 = 4 J [kgm ] 2

1.1.4

2

MAGNETIZAČNÍ CHARAKTERISTIKA A REAKCE KOTVY

Magnetizační charakteristika resp. charakteristika naprázdno a z ní odvozené charakteristiky indukovaných napětí jsou základní charakteristiky stroje. Je výrazně nelineární a ovlivňuje většinu vlastností stroje. Zahrnutí skutečného průběhu magnetizační charakteristiky do výpočtů je většinou nezbytné a vede na •

grafické metody pro názorné, orientační a především jednorázové případy,

•

matematickou aproximaci této charakteristiky pro opakované výpočty (na počítači).

Při aproximaci charakteristiky je důležité dodržet celkový charakter a dostatečnou přesnost (např. 1..2%) v celém používaném rozsahu hodnot proudu s dostatečnou rezervou. Zejména by mělo jít •

o funkci lichou (celkový charakter křivky),

•

o funkci s vyjádřenou lineární částí v okolí počátku a pokud možno i pro velké budicí proudy,

•

o funkci hladkou, zvláště, pokud se z ní odvozuje průběh indukčnosti budicího obvodu.

Těmto požadavkům poměrně špatně vyhovuje běžná polynomická aproximace i aproximace přímkovými úseky. Lepší je aproximace magnetizační charakteristiky ve tvaru

-7-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor r. 3

I  E 0 (I b ) = A.arctg  b  B

[rad ]

kde A, B jsou konstanty, určené pro nejlepší aproximaci skutečného průběhu. Příklad pro motor 1Al 4542

1600

2,0

1400

1,5

1200

1,0

1000

0,5

800

0,0

600

-0,5

400

-1,0

200

-1,5

0 0

20

40

60

80

100

120

Chyba v %

Eo [V]

FiR je na Obr. 6, odkud je vidět, že chyba nepřekračuje ± 1,5 % (A=1000,2 V, B=29,81 A).

Eo Eoaprox Chyba %

-2,0 140

Ib [A]

Obr. 6 Charakteristika naprázdno motoru 1Al4542FiR pro 995 ot/min. (mgchFiR.xls) Ještě lepší je aproximace ve tvaru r. 4

I  E 0 (I b ) = A. arctg  b  + C. I b B

[V , A, rad ]

Pro funkci inverzní lze použít kromě r. 3 také relativně velmi dobrou aproximaci ve tvaru r. 5

Ib = A.E0 + BE0C

pro C= 5 nebo C=7

Magnetizační charakteristika je závislost magnetického toku (jednoho pólu) nebo sycení ve vzduchové mezeře na budicích Az a je zpravidla výsledkem magnetického výpočtu stroje. Charakteristiku naprázdno z ní lze jednoznačně vypočíst, především však ji lze jednoduše měřit v zapojení podle Obr. 7 .

Obr. 7 Zapojení pro měření naprázdno (schenapr.dwg) Při tom je stroj poháněn konstantními otáčkami (v dalším budeme v tomto smyslu pracovat s úhlovou rychlostí otáčení ω0), jeho budicí proud se zvyšuje a poté opět snižuje a při tom se měří indukované napětí -8-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor kotvy (označení E0). Tak je získána (úzká) hysterezní smyčka. Z ní se pro každý budicí proud určí průměrné hodnoty napětí při zvyšování a snižování a takto získaná závislost slouží pak k dalším výpočtům. Kromě toho lze určit také remanentní napětí na sestupné větvi pro nulový budicí proud. Bývá asi 2…3% jmenovitého napětí stroje při jmenovitých otáčkách. Remanentní napětí je významné v některých speciálních případech (viz dále). Konkrétní průběh charakteristiky naprázdno je na Obr. 8. Přímková část odpovídá poměrům, kdy se převážná část magnetomotorické síly buzení spotřebuje na vzduchové mezeře. S rostoucím nasycením magnetického obvodu potřeba magnetomotorické síly rychle roste. Trvalý proud v daném případě (jedná se o sériový motor) je 1020 A, takže jmenovitý bod je daleko v nelineární části. Nelinearitu je skutečně třeba respektovat. 1000

Eo [V]

800 600 400 200 0 0

500

1000

1500

Ib [A]

Obr. 8 Charakteristika naprázdno motoru Al4446iP pro 900 ot/min. (magcha1.xls) Pokud je kotva protékána proudem, uplatňuje se ve stroji kromě magnetomotorické síly buzení také magnetomotorická síla (mmsa) tímto proudem vyvolaná a v případě, že stroj je kompenzovaný ještě mmsa kompenzačního vinutí. Toto vinutí je uloženo v drážkách pólových nástavců a je protékáno proudem kotvy. Zjednodušené poměry pro oba případy pro rozvinutou část stroje pod hlavním pólem jsou na Obr. 9. U nekompenzovaného stroje se výsledná mmsa pod pólovým nástavcem mění odečtením resp. přičtením mmsy vinutí kotvy. Ačkoliv je snížení magnetického pole (Az) na jednom konci pólového nástavce vyrovnáno zvýšením na konci druhém dochází vlivem nelinearity magnetizační charakteristiky ke snížení celkového magnetického toku pólu a tedy i snížení indukovaného napětí podle Obr. 10. Mmsu reakce lze přepočítat na počet závitů budicího vinutí Nmg a na budicí proud, který je nezávislou proměnnou v charakteristice indukovaných napětí.

-9-

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor

Obr. 9 Magnetomotorická síla od jednotlivých vinutí u nekompenzovaného a kompenzovaného stroje (rekot1.dwg) Změna mmsy pod okraji pólového nástavce vlivem reakce kotvy odpovídá změně budicího proudu r. 6

∆I b =

1 A ατ p 2 N mg

[A, m, A/m]

kde A je proudové obložení kotvy a Nmg počet závitů na pólu. S použitím vztahu pro proudové zatížení obvodu kotvy A lze tuto hodnotu vypočítat z údajů stroje (N je počet vodičů, a počet paralelních větví a Dk průměr kotvy) r. 7

τp =

πDk

Iv =

2p

Ik 2a

A=

NIv

πDk

=

N

a po dostáváme r. 8

∆I b =

α

Ik

πDk 2a

N Ik = h.Ik 8ap Nmg .

kde h je konstanta, závislá na provedení stroje.

- 10 -

[A/m, A, m]

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor

1000

Eo [V]

800

600

400

200

0 0

500 2.h.I b

1000

1500

Ib [A]

Obr. 10 Změna indukovaného napětí při zatížení nekompenzovaného stroje (mgcha2.xls)

1000

800 Ik=0 600 E [V]

Ik=500 A

Ik=1000A Ik=1500 A

400

200

0 0

500

1000

1500

Ib [A] Obr. 11 Charakteristiky indukovaného napětí naprázdno a při zatížení proudem 500, 1000, 1500A (mgcha1.xls) Poměry při zatížení stroje lze pak znázornit podle Obr. 10, které odpovídají budicímu proudu 500A a hodnotě ∆Ib = 250 A . Indukované napětí odpovídá střední hodnotě vyznačeného úseku charakteristiky, která je menší než hodnota E0 pro Ib=500A. Snížení závisí na zakřivení charakteristiky pro daný budicí proud a na velikosti ∆Ib . Tak lze získat soustavu charakteristik indukovaného napětí při zatížení konstantním

- 11 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor proudem. Pro použitý případ jsou na Obr. 11 uvedeny charakteristiky indukovaných napětí pro chod naprázdno a při zatížení proudem 500, 1000 a 1500A. U sériového stroje platí při plném buzení Ib = Ik a šířka vyznačeného pásma se mění úměrně s proudem. Proto z každé charakteristiky na Obr. 11 platí tomu odpovídající bod a ty pak tvoří charakteristiku indukovaného napětí sériového stroje pro plné buzení. Při plném poli je u trakčních motorů vliv reakce kotvy poměrně malý, ale roste se zašentováním (viz dále), kdy platí r. 9

Ib = x.Ik

kde

x ≤1

takže při stejném proudu v kotvě a tedy i hodnotě ∆Ib je budicí proud x-krát menší. Pokud by se neměl v takovém případě směr toku na kraji pólového nástavce působením reakce kotvy změnit, musí zřejmě platit r. 10

∆Ib = hIk ≤ Ib = xIk

z čehož

x≥h=

α

N 8ap N p .

Ať již použijeme výše uvedené kritérium nebo ne je zřejmé, že existuje hranice zeslabení buzení daná parametry stroje ve tvaru r. 10. Nekompenzovaná reakce kotvy má tedy za následek, že •

indukované napětí se zatížením klesá, stroj se (mírně) odbuzuje a to má vliv na průběh trakčních

charakteristik, který zvláště v odbuzení nelze zanedbat, •

stroj v odbuzení hůře komutuje, protože napětí, které je indukováno ve vodičích pod pólovým

nástavcem není rozloženo rovnoměrně. Proto i lamelové napětí na odpovídajících lamelách není rozděleno rovnoměrně. Pro komutaci je ale rozhodující jeho největší hodnota, takže komutace nekompenzovaných strojů je obecně horší resp. stupeň jejich největšího odbuzení je výrazně menší než u strojů kompenzovaných. U kompenzovaného stroje je účinek reakce kotvy kompenzován (alespoň v rozhodující míře) polem kompenzačního vinutí, která je buzeno stejným proudem, takže k popsaným jevům prakticky nedochází.. Na druhé straně kompenzační vinutí komplikuje stroj, který je dražší a má ztráty větší o ztráty v kompenzačním vinutí. Toto zvětšení odpovídá zhruba α násobku ztrát v kotvě (vinutí je protékáno proudem kotvy, ale je rozmístěno jen na pólových nástavcích). V dalším budeme označovat charakteristiku indukovaných napětí, která odpovídá úhlové rychlosti ω0 , otáčkám n0 nebo rychlosti V0 jako funkci E0 (Ib , Ik ) a pro kompenzovaný stroj (přibližně) jako funkci E0 (Ib ) . Velikost indukovaného napětí pro jinou úhlovou rychlost, otáčky nebo rychlost jízdy je r. 11

E = E 0 (I b ,I k )

ω n V = E 0 (I b ,I k ) = E 0 (I b ,I k ) = Ψ (I b ,I k ).ω n0 V0 ω0

Srovnáním r. 11 s indukčním zákonem dostáváme r. 12

Ψ (I b ,I k ) =

E 0 (I b ,I k )

ω0

Se vztahem pro magnetický záběr Ψ podle r. 12 se budeme v dalších dílech setkávat v tomto významu často. - 12 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Výraz r. 11 vyjadřuje indukovaného napětí

1.2

•

lineární závislost na otáčivé rychlosti ( ω, n,V ) a

•

nelineární závislost na magnetickém toku (poměr

E0

ω0

= Ψ při daných budicích poměrech).

NÁHRADNÍ SCHÉMA, CHARAKTERISTIKY Pro sériový stroj (a ustálené stavy) budeme používat jednoduché náhradní schéma podle Obr. 12.

S použitým označením a podle r. 11 platí

Obr. 12 Náhradní schéma sériového stroje (zaklsch1.dwg) r. 13

E  U = E + RIk =  0  ω + RIk = Ψ.ω + RIk  ω0 

Pro příkon stroje platí zřejmě r. 14

P = UIk = EIk + RIk2 = Pi + RIk2

První člen E I k reprezentuje vnitřní výkon, druhý R I k2 ztráty ve vinutí. Vnitřní výkon odpovídá vnitřnímu momentu, který se dělí na moment na hřídeli a momentové ztráty r. 15

M=

Pi

ω

− ∆M =

E  − ∆M =  0  I k − ∆M = Ψ I k − ∆M ω  ω0 

E Ik

Charakteristika indukovaných napětí je i v tomto vztahu rozhodující složkou. Momentové ztráty zahrnují především ztráty mechanické a ztráty v „železe“ (prakticky v magnetickém obvodu kotvy) a lze je s použitím ztrát naprázdno ∆P0 vyjádřit vztahem r. 16

∆M =

∆P0

ω

Dosazením do r. 14 dostáváme přehlednou energetickou bilanci stroje r. 17

P = UIk = Mω + RIk2 + ∆P0

Pro indukčnost (diferenciální, pro daný budicí proud) platí [1] (po úpravách) r. 18

Lb = 4πa(1 + σ )

Nb 1 dE0 (Ib , Ik ) N dΨ (Ib , Ik ) . . = 4πa(1 + σ ) b . N ω0 dI b N dI b

- 13 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Výraz obsahuje sklon tečny k charakteristice indukovaných napětí v pracovním bodě. Na tento případ se zejména vztahuje požadavek na hladkou aproximaci funkce E0. Koeficient σ je koeficient rozptylu, který se pohybuje v mezích asi 0,1…0,2. Tvar aproximace závislosti této indukčnosti na budicím proudu lze odvodit derivací r. 3. Pro aproximaci průběhu indukčnosti jako sečny vedené z počátku do pracovního bodu lze použít tentýž postup. Koeficienty je ale nutno určit aproximací pro takto definovaný průběh indukčnosti. Otáčková a momentová charakteristika, vyjádřená jako závislost na proudu v kotvě Ik jako parametru má tedy tvar r. 19

ω0



  . ( U − RIk )  E0 (Ib , Ik ) 

ω=

 E (I , I )  M =  0 b k  I k − ∆M  ω0 

Při zběžných úvahách budeme někdy momentové ztráty zanedbávat. Kvůli nelinearitě E0 nelze zřejmě vyjádřit otáčkovou charakteristiku explicitně jako ω = ω (M ) . To však není na závadu, protože proud motoru je přirozeně také důležitá veličina ve všech úvahách a představuje parametr obou vztahů. Výrazy v r. 19 také ukazují možnosti řízení otáček a momentu sériového stroje: •

změnou napětí (sérioparalelní řazení motorů na stejnosměrném systému nebo stupňová regulace

napětí na trakčním transformátoru na střídavém systému), •

změnou předřazeného odporu (na stejnosměrném systému),

•

změnou buzení, šentováním magnetů (na obou systémech).

Mezi veličinami v r. 19 a parametry vozidla platí vztahy r. 20

V =

r. 21

F =

πD k n 60 i 2 Mi

.3,6 =

Dk ω .3,6 2i

.m

-1

[km/h, m, ot./min.], [km/h, m, s ]

[kN, kNm,m]

Dk

kde Dk je průměr kola, i převod a m počet trakčních motorů vozidla. 1.2.1

ŠENTOVÁNÍ

Pro sériový motor se zavádí šentovací poměr vztahem r. 22

Ib = x.Ik

xmin ≤ x ≤ 1

Pokud je x=1 hovoříme o provozu s plným polem, v opačném případě o odbuzení, ale lépe o šentování. O minimálním dovoleném odbuzení xmin již byla zmínka (r. 11). Pro otáčkovou a momentovou charakteristiku při zašentování pak z r. 19 plyne r. 23



 E (xI , I )  M =  0 k k  .Ik − ∆M ω0  

ω0

  (U − RIk )  E0 (xIk , Ik ) 

ω=

- 14 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Jestliže zanedbáme momentové ztráty a charakteristiku indukovaných napětí (velmi hrubě!) nahradíme pro malé proudy lineární závislostí E0 (xIk , Ik ) = K1.x.Ik , lze snadno naznačit charakter průběhu otáčkové a momentové charakteristiky i vliv šentování pro tento jeden krajní případ. Pro malé proudy platí podle r. 23 v závislosti na proudu kotvy a šentovacím poměru r. 24

ω ≈ ω0

U K1xIk

M≈

což je hyperbola a

K1xIk2

ω0

což je parabola

Výsledky jsou znázorněny v Obr. 13 pro x=1 a po zašentování na x=0,5 a ukazují charakteristický průběh těchto závislostí. Pro větší proudy klesá rychlost pomaleji a také moment roste pomaleji (srov. skutečný případ dále).

2,0 V

Ft

1,5 V, Ft

x=0,5 1,0

x=1

0,5

0,0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Ik Obr. 13 Trakční charakteristiky pro lineární charakteristiku (trcha1.xls) Pro skutečný výpočet je samozřejmě nutno použít přesných výrazů, neboť povolená tolerance pro trakční charakteristiky je 3% na plném poli a 6% na šentech, a to včetně výrobního rozptylu parametrů trakčních motorů. Výpočet charakteristik je možno provést ze změřených otáčkových charakteristik pro plné pole a při zašentování. Na rozdíl od charakteristiky naprázdno, která se měří pouze na jednom stroji se podle normy měří otáčkové charakteristiky na 10 strojích a z měření se určí charakteristika střední. Ta proto přirozeně lépe reprezentuje vlastnosti motorů a ovšem zahrnuje i všechny druhy ztrát. Pro výpočet charakteristik na odporových stupních je třeba znát teplotu vinutí stroje při měření s ohledem na změny odporu s teplotou.

1.3

ZTRÁTY Ztráty v motorech jsou významnou částí celkových ztrát na vozidle a tedy významně ovlivňují jeho

účinnost jako základní energetický parametr. Je třeba zdůraznit hned v úvodu, že účinnosti všech zařízení se udávají zpravidla pro jmenovitý režim a jejich přepočet na jiné režimy je nutno provést podle toho, jak na něm závisejí jednotlivé druhy ztrát. Výpočet účinnosti ze ztrát je obyčejně přesnější a také názornější cestou. Ve skutečnosti totiž o nákladech na energii, požadavcích na chlazení a dalších nepříznivých dopadech, které - 15 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor ztráty způsobují rozhoduje v konečném efektu energie [kWh] odebraná z troleje pro jejich krytí. Ta závisí na ztrátách v [kW] a době provozu [h]. Účinnost je tedy koeficient vhodný především k porovnávání obdobných zařízení v podobných provozních poměrech. Kromě toho se u zařízení na stejné technické úrovni liší účinnost obyčejně jen málo. U více využitých moderních zařízení má účinnost spíše klesající tendenci a závisí na způsobu chlazení. Velikost ztrát v [kW] je rozhodující pro určení požadavků na chlazení. To vždy představuje potřebu určitého příkonu (ať se jedná o chlazení cizí nebo vlastní), který je nutno při celkové bilanci přičíst ke ztrátám v chlazeném zařízení (ve formě ventilačních ztrát motoru, příkonu ventilátorů nebo zvýšení jízdního odporu). To platí přirozeně nejen pro trakční motory (jakéhokoliv druhu), ale i pro všechna další zařízení na vozidlech. Ztráty v elektrických zařízeních obecně můžeme rozdělit na •

ztráty ve vodičích (Jouleovy),

•

ztráty v magnetických materiálech (vířivými proudy a hysterezní),

•

ztráty v dielektriku kondenzátorů (většinou zanedbatelné) a

•

ztráty mechanické (třením v ložiscích a ventilační).

V motorech se zřejmě uplatňují tři, v transformátorech zřejmě jen první dva typy, v měničích, topidlech, vedeních atd. pouze první typ, v kondenzátorech třetí ev. první. Z jiného úhlu pohledu lze ztráty v motorech (a v odpovídající míře i na ostatních elektrických zařízeních) rozdělit na •

napěťové (nakrátko), působené přímo nebo nepřímo průtokem proudu snižují napětí a tedy i

otáčky pro jinak stejné poměry (srov. r. 23), •

momentové (naprázdno), jejichž rozhodující část tvoří ztráty mechanické a ztráty v magnetickém

obvodě (srov. r. 23). Pro odhad ztrát ve vinutí zpravidla postačí počítat s odpory jednotlivých vinutí, které je ale třeba přepočítat na pracovní teplotu 150°C (podle IEC 349-2 pro všechny třídy izolace). Ve zvláštních případech je třeba připočíst i úbytek na kartáčích. Ztráty naprázdno se měří v zapojení podle Obr. 7. Ztráty mechanické se určí z příkonu pomocného poháněcího motoru (po odečtení jeho vlastních ztrát) v závislosti na otáčkách. Zkoušený motor není buzen. Ztráty naprázdno zahrnují ztráty třením v ložiscích a na komutátoru a ztráty ventilační významné především, když má stroj vlastní chlazení. Závislost mechanických ztrát na otáčkách lze dobře aproximovat vztahem r. 25

∆Pmech ≈ A.n + B.n C

kde C ≈ 3

Ztráty v magnetickém obvodě („v železe“) se změří (přirozeně současně se ztrátami mechanickými) ve stejném zapojení s tím rozdílem, že se stroj postupně budí a jeho napětí tedy roste. Ztráty v magnetickém obvodu obecně závisí na dvou parametrech, na sycení a kmitočtu. Zpravidla se ovšem udávají v závislosti na napětí (~sycení) a otáčkách (~kmitočtu v kotvě). Výsledný průběh naměřené závislosti pro konstantní otáčky a postupně (buzením) zvyšované napětí je na Obr. 14.

- 16 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor 1,5

1 dPo

dPo

0,5 dPmech

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

E

Obr. 14 Příklad ztrát naprázdno (mernapr.xls) Limita průběhu ztrát pro E=0 odpovídá ztrátám mechanickým, které na E nezávisí. Ztráty v železe odpovídají přírůstku ztrát při nabuzení stroje. Takových měření je třeba provést řadu pro různé otáčky a tak získat síť křivek. Pro určení ztrát v obecném provozním bodě je pak třeba mezi nimi interpolovat. Pro aproximaci ztrát v železe je třeba použít funkci dvou proměnných, například ve tvaru r. 26

∆PFe ≈ A.n B .E C

Určení koeficientů A, B, C může být pracné a aproximace jen velmi přibližná. Naštěstí vzhledem k tomu, že vzniklé chyby se týkají ztrát tj. veličin druhého řádu, uplatní se ve výsledku pro celý stroj jen málo. Jestliže tvoří ztráty v železe např. 2%, představuje 10% chyba v jejich aproximaci výslednou chybu asi 0,2%, což je obyčejně přijatelné (ve skutečnosti hluboko pod přesností měření i opakovatelnosti na různých strojích). V případech, kdy podrobnější údaje (protokol o typových zkouškách) o stroji chybí, lze zhruba odhadnout velikost ztrát ve jmenovitém bodě ze štítkových údajů. Celkové ztráty se určí z rozdílu mezi příkonem a výkonem (což jsou všechno štítkové údaje) r. 27

∆P = U jmI jm − P

Pro trakční stroje s cizím chlazením, sériovým buzením a bez kompenzace platí pro jmenovitý režim přibližně údaje podle Tab. 1. Tab. 1 Rozdělení ztrát Druh ztrát

Podíl na celkových ztrátách

Vinutí kotvy

35-45

%

Vinutí buzení

15-25

%

Magnetický obvod

25-40

%

Mechanické ztráty

7-10

%

- 17 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Odtud lze odhadnout také odpory při známém jmenovitém proudu r. 28

R mot =

∆PCu jm I 2jm

Ztráty pro jiné proudy odpovídají pak tomuto odporu a čtverci skutečného proudu nebo přímo

r. 29

∆PCu

 I   = ∆PCujm   I jm   

2

Pro odhad závislosti ztrát v železe lze velmi zhruba předpokládat, že v oblasti regulace napětím rostou úměrně s otáčkami resp. s rychlostí. V oblastí odbuzení se částečně kompenzuje jejich vzrůst s kmitočtem a pokles se sycením. Chyba je velká, ovšem menší než kdyby se tyto ztráty zanedbaly úplně (což je pro zběžný odhad také možné, srov. diskusi k r. 26). 2

2

1

Ještě jednodušeji lze přibližně počítat, že /3 ztrát vzniká ve vinutí, /9 v železe a /9 je mechanických.

1.4

OTEPLENÍ A CHLAZENÍ Ztráty působí oteplení jednotlivých částí stroje. Rozhodující je teplota izolace a proto se dovolená

oteplení jednotlivých dílů při dané teplotě okolí určují podle jejích vlastností. Tyto teploty (resp. oteplení při předepsané teplotě chladicího vzduchu) jsou u trakčních strojů o 35…55 K vyšší než u strojů pro průmyslové použití, protože se bere v úvahu velmi proměnlivé zatížení (maximální teploty se vyskytují krátkodobě a zřídka) a omezený prostor pro motory na vozidle. Oteplení, správně ovšem teplota má velký vliv na životnost izolace. Montsingerův zákon (založený ale na měření pro starší typy izolací) udává, že zvýšení oteplení o 8…10 K sníží životnost izolace na polovinu! Třídy izolace běžně používané pro trakční stroje a jim odpovídající oteplení jsou v následující Tab. 2 (IEC 349/1990) pro teplotu okolí +40°C. T řída C je uvedena pro úplnost a s ohledem na další kapitoly, pro stejnosměrné stroje se užívá výjimečně. Mezní teplotu (40 °C+oteplení) musí p říslušná izolace vydržet po 20000h nepřetržitě. Tab. 2 Oteplení [K] trakčních strojů pro třída izolace F, H, C Třída izolace

F

H

C (200)

Komutátor

120

120

120

Vinutí rotoru

140

160

180

Vinutí statoru

155

180

200

Počáteční oteplení při krátkodobých

100

120

130

zkouškách

Stejnosměrné trakční motory se chladí prakticky výhradně vzduchem. Na jeho čistotu jsou kladeny vyšší požadavky, protože přichází bezprostředně do styku s živými částmi pod napětím (sběrací ústrojí, komutátor). V zásadě může jít o chlazení vlastní a cizí.

- 18 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Vlastní chlazení obstarává ventilátor na hřídeli stroje. Výhodou je jednoduchost chladicího obvodu, není zapotřebí zvláštní ventilátor, jeho napájení, ovládání, kontrola atd. a prakticky nepřichází v úvahu ztráta chlazení v provozu. Hlavními nevýhodami vlastního chlazení jsou zejména •

nesoulad mezi množstvím chladicího vzduchu, které závisí lineárně na otáčkách, a velikosti

ztrát, jejichž větší část závisí na čtverci proudu; při nízkých otáčkách a v klidu je chlazení nedostatečné, při vysokých pak zbytečně vysoké (ventilační ztráty), •

ventilátor musí vyhovovat pro oba směry točení a ve stísněných prostorech motoru má horší

účinnost, •

ventilaci nelze „vypnout“ např. při výběhu a tažení, kdy zvyšuje jízdní odpor,

•

možnosti čištění nasávaného vzduchu jsou velmi omezené nebo vedou ke konstrukčním

komplikacím. Vlastní ventilace se hodí pro menší výkony a vozidla bez těžkých a dlouhých rozjezdů. Motor se dimenzuje na zadaný průběh zatížení (přetížení a výběh) podle předpokládaného tachogramu provozního využití. Cizí chlazení je nákladnější, vyžaduje ventilátor s motorem, jeho napájením a řízením (spouštěním), vzduchovody s propojením mezi skříní a podvozky a zabírá proto prostor ve strojovně. Odstraňuje ale uvedené nevýhody vlastního chlazení, především lze intenzitu chlazení přizpůsobit skutečné potřebě popřípadě ho vůbec vypnout. To vede k poměrně překvapivým úsporám energie pro chlazení, snížení kolísání teploty motorů (stárnutí izolace) a omezení množství nečistot v motoru. Chlazení lze přizpůsobit také vnější teplotě, zajistit dochlazování motorů po předchozím přetížení, je možné chlazení i v klidu, poměrně dokonalé může být čištění vzduchu (saje se obyčejně ze střechy přes žaluzie, filtry, nasávací skříně apod.). Co se týče uspořádání chlazení existuje řada konstrukčních variant, které mohou mít významný vliv na provozní vlastnosti. Vzduch může vstupovat na komutátor, který je pak nejlépe chlazen, avšak uhlíkový prach z kartáčů se může usazovat v motoru. Opačný směr průchodu vzduchu zase zhoršuje chladicí poměry pro komutátor. Vzduch může být motorem prosáván nebo protlačován. Jedou li vozidla s cize chlazenými motory (tzn. bez vlastního ventilátoru na hřídeli) bez chlazení (například výběhem nebo jsou tažena), může docházet ke zpětnému nasávání vzduchu z prostoru pod vozidlem do motorů. Těmito konstrukčními záležitostmi se ale zabývat nebudeme.

- 19 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení

2 ŘÍZENÍ A VLASTNOSTI PŘI STEJNOSMĚRNÉM NAPÁJENÍ 2.1

ŘÍZENÍ PŘEDŘADNÝMI ODPORY Základním způsobem a jediným, který dovoluje řídit proud motoru i v klidu, zpravidla při plném

buzení, je zařazení předřadného odporu do série s motorem podle schématu na Obr. 15. Závislost rychlosti na proudu kotvy odpovídá r. 30 r. 30

V = V0

U − (R mot + R př )I k

pro x = 1

E 0 (I k )

Obr. 15 Řízení předřadným odporem (odpor.dwg) Počet stupňů a velikost jednotlivých předřadných odporů se řídí velikostí dovolených proudových skoků ∆I (a tedy i momentových skoků) při jejich přepínání. Ty jsou největší jsou při maximálním rozjezdovém proudu Imax (například adhezním). Tyto skoky jednak namáhají dynamickými rázy pohon a mohou vyvolávat kmitavé jevy v soupravě (pokud je dlouhá a volně spřažená), jednak omezují možnosti využití adheze. Poměry při návrhu ukazuje Obr. 16.

1,5

1 I2

V

I1

Vp

0,5

Stupeň (n+1)

0

Nájezdový stupeň 0

0,25

Stupeň n 0,5

0,75

1

Ik Obr. 16 Výpočet odporových stupňů (odporch.xls)

- 20 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení Zpravidla se vyjde z přirozené charakteristiky motoru (bez předřadného odporu) a postupně se vypočítávají hodnoty předřadných odporů tak, aby skoky proudu odpovídaly zadání. Pro okamžik přepnutí mezi stupněm n a n+1 při konstantní rychlosti Vp platí podle r. 30 zřejmě r. 31

Vp = V0

U − (R mot + R př (n ) ).I1 E 0 (I1 )

= V0

U − (R mot + R př (n +1) ).I 2 E 0 (I 2 )

odkud lze z daných hodnot vypočítat velikost odporu na předchozím (nižším) stupni. Odporové stupně nemusí být ovšem vždy rozvrženy rovnoměrně. Rozjezdový proud může například sledovat závislost adhezní tažné síly na rychlosti, skoky mohou být jemnější v okolí režimu, kdy se dosahuje adhezní tažné síly v klidu apod. Kromě toho musí první stupeň resp. první stupně (nájezdové stupně) umožňovat manipulaci se samotným vozidlem.To vyžaduje možnost nastavit i při stojícím vozidle (E0=0) přiměřeně malý moment a tedy i proud Imin . Pro odpor prvního nájezdového stupně R0 platí zřejmě r. 32

R0 =

U Imin

− Rmot

Při přepínání odporových stupňů musí být splněna podmínka, že proud motoru nebude přerušen. Při uspořádání podle Obr. 15 je tento požadavek splněn „překrytím“ spínání stykačů. Musí být ale splněn také v případech, kdy se používají složitější kombinace jednotlivých dílů odporníku (paralelní řazení různých částí apod.). Přepínání

odporových

stupňů

se

provádí

buď

jednotlivými

stykači

(elektromagnetickými,

elektropneumatickými) nebo vačkovými stykači, které jsou spínány mechanicky kontrolérem. První případ umožňuje větší pružnost návrhu, zvláště při požadavku na odporovou brzdu, rychlé najetí a sjetí. Druhý zajišťuje (mechanickou vazbou) přesný sled spínání stykačů. Oba způsoby se používají.

2.2

ZMĚNA SMĚRU TOČENÍ A ŠENTOVÁNÍ Změnu směru točení trakčních motorů (změnu směru jízdy - reverzace) lze dosáhnout změnou směru

proudu buď v buzení nebo v kotvě. To se provádí výhradně bez proudu přístrojem označovaným měnič směru. Pokud je třeba provádět rychlou reverzaci proudu např. při přechodu z tahu do elektrického brzdění, reverzuje se obyčejně kotva s ohledem na dlouhou časovou konstantu vinutí magnetů (přerušení doznívajícího proudu). Jinak se reverzují magnety. I když u sériového motoru jsou proudy v magnetech i kotvě stejné, napětí na kontaktech měniče směru je v takovém případě daleko menší. Pokud se ale tímtéž přístrojem zajišťuje i poruchové odpojení motoru nebo motorové skupiny (což je běžné), nehraje tato okolnost roli. Šentování hlavních pólů stroje se nejčastěji provádí podle Obr. 17 připojením odporníku s vhodným odporem paralelně k vinutí magnetů. V ustálených stavech se proud rozdělí do obou větví podle poměru jejich vodivostí. Poměr budicího proudu k proudu v kotvě je postupně podle r. 22 r. 33

Ib = x.Ik ,

Is = (1 − x ) Ik ,

Ib Rs x x = = , Rs = Rb , Is Rb 1 − x 1−x

- 21 -

x=

Rs Rs + Rb

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení kde do odporu šentu je započten i odpor šentovací tlumivky.

Obr. 17 Šentování hlavních pólů (senty.dwg) Otáčkové a momentové charakteristiky se vypočtou pro zvolené hodnoty x podle výrazů r. 23. Odstupňování šentů bývá hrubší než u rozjezdových stupňů. Při návrhu se vychází ze stejných zásad jako u odporových stupňů, avšak v tomto případě jsou dány obě meze: plné pole, x=1 a minimální buzení x=xmin. Do tohoto rozsahu je třeba vložit potřebný počet šentovacích stupňů. V přechodových stavech se na rozdělení proudů podílí i indukčnosti obou větví, která je u magnetů značná. Aby v takových případech nedocházelo ke (krátkodobému) podkročení minimálního buzení s nebezpečím přejiskření stroje, zařazuje se do série se šentovacím odporníkem tlumivka. Rozdělení proudů v přechodových jevech tak lze udržet v přijatelných mezích. Beze zbytku řeší tento problém odpínání části závitů na hlavních pólech. Zásadním nedostatkem je skutečnost, že je nutno odpojovat a tedy i vyvést z motoru na příslušný přístroj všechny odbočky ze všech pólů (případně dvojic pólů) stroje. Popsaný způsob šentování paralelním připojením odporu je jednoduchý, ale má některé nedostatky, zejména •

Odpor měděného vinutí hlavních pólů se mění v závislosti na oteplení v poměrně širokých

mezích jak bylo již uvedeno, zatímco odporový materiál šentovacího odporníku má teplotní koeficient odporu obyčejně velmi malý. S teplotou se nastavený šentovací poměr mění a omezuje využití šentování. Kromě toho, i když se pro šentování využije odpor šentovací tlumivky s měděným vinutím, nelze předpokládat, že teploty obou vinutí budou alespoň blízké vzhledem k různému způsobu zatěžování. •

U velkých strojů, zvláště na nižší napětí (u motorů pro střídavá vozidla), je ohmický odpor vinutí

magnetů velmi malý, takže i ohmické odpory v šentovacím obvodu jsou tak malé, že se uplatňuje nejen délka kabelů mezi motorem a šentovacími stykači, ale případně i neurčité přechodové odpory v obvodu. Šentovací odporníky pak musí být individuálně nastavované. V souvislosti se šentováním je třeba upozornit na to, že při řízení předřadnými odpory mohou nastat obecně dva zcela odlišné případy. Pokud je motor napájen z prakticky tvrdého zdroje napětí (hospodárný stupeň bez předřadného odporu) jak je běžné, nemůže se při zašentování změnit indukované protinapětí (srov. r. 13) a tedy ani proud tekoucí budicím vinutím, na kterém při nezměněných otáčkách indukované napětí závisí. Proto se nemůže změnit ani budicí tok. Proto je v této souvislosti přesnější používat výrazu „šentování“ místo odbuzení nebo zeslabení pole. Proud v kotvě při tom vzroste o proud tekoucí

- 22 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení šentovacím odporníkem, takže moment stroje při nezměněných otáčkách vzroste v důsledku vzrůstu proudu v kotvě. Pokud by se však z nějakých důvodů šentovalo na (počátečních) odporových stupních, je proud v motoru určen především tímto odporem (protinapětí je při tom malé). Jedná se přibližně o případ napájení motoru ze zdroje stálého proudu. Pak se při zašentování proud v kotvě zvětšit nemůže a rozdělí se nově mezi vinutí hlavních pólů a šentovací odporník. Magnetický tok klesne a stejně klesne i moment motoru. Existuje tedy obecně stav, kdy zašentování nemá na moment stroje vliv! Konečně poznamenejme, že šentovací poměr x se týká proudů v budicím vinutí a v kotvě. Změna magnetického toku, „buzení“ v pravém smyslu slova závisí přitom na tvaru magnetizační charakteristiky stroje. Změna toku v závislosti na změně budicího proudu je zřetelně jiná než odpovídá poměru x a navíc závisí i při stejném x na velikosti budicího proudu (když nepočítáme s reakcí kotvy).

2.3

SKUPINOVÉ ŘAZENÍ Řízení předřadnými odpory je výrazně ztrátové. Šentování se považuje za řízení hospodárné (ztráty

v šentovacích odpornících jsou malé), ale používá se prakticky jen na hospodárných stupních po vyřazení předřadných odporů. U vozidel s více trakčními motory existuje další možnost hospodárné změny otáček. Jednotlivé motory nebo motorové skupiny lze spojovat v závislosti na jejich počtu na dané trolejové napětí různým způsobem a tím i měnit velikost napětí na svorkách motoru, i když jen v hrubých krocích, které musí být doplněny řízením předřadnými odpory. Některé možnosti jsou schematicky znázorněny na Obr. 18.

Obr. 18 Možnosti skupinového řazení motorů nebo motorových skupin (skupiny.dwg)

- 23 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení Místo jednotlivých motorů se často pracuje s motorovými skupinami, které jsou obyčejně složeny ze dvou motorů podle Obr. 19.

Obr. 19 Změna směru točení a šentování pro motorovou skupinu (skupina1.dwg) Důvody jsou především dva jak je z Obr. 19 zřejmé: •

omezené svorkové napětí trakčních motorů (3000/2V) při práci na trolejovém napětí 3000Vss,

•

úspora přístrojů pro změnu směru a šentování (případně měničů - viz dále).

Obr. 20 Můstkový přechod mezi sériovým a (sério)paralelním zapojením motorových skupin (mustek.dwg) Při přepínání mezi jednotlivými zapojeními by nemělo dojít k většímu skoku momentu (proudu) než při normálním rozjezdu. K tomu slouží postup označovaný jako můstkový přechod. Postup při rozjezdu vozidla se dvěma motorovými skupinami (např. lokomotiva Bo´Bo´) je schematicky naznačen na Obr. 20 a zahrnuje •

rozjezd na odporových stupních v sériovém zapojení,

•

jízdu na hospodárný stupeň na sérii, - 24 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení •

můstkový přechod,

•

rozjezd na odporových stupních v sérioparalelním zapojení,

•

jízdu na hospodárný stupeň při sérioparalelním zapojení motorů.

Šentování (nekresleno) lze použít na obou hospodárných stupních. Vlastní můstek je vytvořen schématem „můstek II.“. V tomto okamžiku vzroste skokem proud odebíraný z troleje do motorů o proud tekoucí odporníky, ale proud motorů se nemění. Pokud jsou oba proudy stejné, nedojde ani po vypnutí stykače L2 ke skoku proudů v motorech, protože v takovém případě jím žádný proud neprotéká (můstek je vyvážený). To je při dané velikosti odporu zřejmě možné pouze pro jediný proud. V ostatních případech dochází k většímu či menšímu skoku proudu v motorech a tedy i v jejich momentu.

2.4

ZTRÁTY PŘI ROZJEZDU Při rozjezdu vznikají na odporových stupních ztráty, které zhoršují energetickou bilanci

stejnosměrné trakce. Poměry za maximálně zjednodušených poměrů (rozjezd konstantním proudem na rovině, jízdní odpory jsou zanedbány) jsou znázorněny na Obr. 21 pro vozidlo bez skupinového řazení. Na Error! Reference source not found. jsou znázorněny poměry při skupinovém řazení dvou motorů. Energie, přeměněná v teplo v rozjezdových odpornících je v tomto případě zhruba poloviční.

Obr. 21 Ztráty při odporovém rozjezdu (ztraty1.dwg)

Obr. 22 Ztráty při skupinovém řazení (ztraty1.dwg) Na druhé straně je třeba poukázat na to, že zvýšené ztráty se vyskytují pouze při rozjezdu a na hospodárných stupních (včetně šentovacích) jsou ztráty minimální (vznikají jen v motorech a případně v šentovacích obvodech). U měničových vozidel sice ztráty v odpornících při rozjezdu odpadají, ale - 25 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 2. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení přibývají ztráty v měničích ve všech režimech. Posouzení energetické výhodnosti tedy záleží na provozním nasazení, na počtu rozjezdů v poměru k době jízdy na hospodárných stupních. Energetické hledisko není ovšem zpravidla jediné a výhody hospodárné regulace měniči zpravidla převažují.

- 26 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 3. Tramvajová brzda

3 TRAMVAJOVÁ BRZDA V souvislosti se stupňovým řízením sériového motoru se budeme zabývat zapojením, které se označuje jako „tramvajová brzda“, i když ji lze pochopitelně použít u všech typů vozidel. Základní zapojení obvodu je na Obr. 23 a odpovídá mu rovnice r. 34

E=

E0

ω0

ω = Ri k + Lb

di k dt

kde

R = Rm + Rodp

Pro zvolené otáčky resp. rychlost vyjadřuje r. 34 diagram na Obr. 24. Ustálený stav odpovídá průsečíku odporové přímky s charakteristikou indukovaných napětí pro příslušné otáčky.

Obr. 23 Schéma tramvajové brzdy (trambr.dwg) V přechodném jevu při nabuzování se uplatní i indukčnost obvodu, především hlavních pólů. Nárůst magnetického toku při tom zajišťuje naznačený rozdíl napětí mezi charakteristikou indukovaného napětí a odporovou přímkou.

E [V]

785

Lb.dIk/dt E R.Ik 0 0

600

1200

Ik=Ib [A]

Obr. 24 Grafické vyjádření r. 34 (trambr1.xls) Z toho je zřejmé, že •

nabuzení z nulového proudu je závislé na remanentním napětí; pokud se ztratí nebo obrátí jeho

polarita motor se nenabudí a brzda nebrzdí, •

při dané rychlosti závisí velikost brzdového proudu výhradně na velikosti odporu v obvodu (srov.

Obr. 25), •

při poklesu rychlosti klesá proud stále rychleji až do nestabilního stavu, kdy odporová přímka

splyne s lineární částí charakteristiky a proud rychle klesne na velmi nízkou hodnotu, - 27 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 3. Tramvajová brzda •

také při příliš velkém odporu zůstane proud na velmi malé hodnotě.

V obou posledních případech lze vhodnou změnou odporu brzdový účinek obnovit na rozdíl od stavu při ztrátě remanence. 1000

3*R1 2*R1

800

E

600 E [V]

R1 400

200

0 0

300

600

900

1200

1500

Ik=Ib [A]

Obr. 25 Poměry při tramvajové brzdě podle Obr. 24 pro dvojnásobný a trojnásobný odpor (trambr1.xls)

1000 R 800 0,8*R

V

E [V]

600

0,6*R

0,8*V 400

0,6*V

200

0 0

300

600

900

1200

1500

Ik=Ib [A] Obr. 26 Přepínání odporových stupňů při poklesu rychlosti (trambr1.xls) Z uvedeného je zřejmé, že při brzdění je třeba měnit velikost odporu podle požadovaného brzdného účinku a rychlosti. K tomu účelu lze přirozeně využít stupňovité přepínání odporníků sloužících pro rozjezd. Poměry při přepínání ukazuje Obr. 26. Pokud by při vysoké rychlosti vzrostlo napětí na motoru s plným buzením příliš, lze využít šentování podobně jako při jízdě. Skupinové řazení se zpravidla nepoužívá. - 28 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 3. Tramvajová brzda Pro výpočet brzdových charakteristik platí následující r. 35. Rychlost i brzdná síla jsou opět závislé na proudu I k jako na parametru r. 35

E = E0

E (I ). I RI k RI2 V P = R I k ⇒ V = V0 , Fb = 3,6 = 3,6 k = 3,6 0 k k V0 E 0 (I k ) V V V0

Příklad průběhu brzdových charakteristik pro 3 odporové stupně je na Obr. 27. 0,6*R1

0,8*R1

R1

Fb/Fbo

1

0,5

0 0

0,5

1 V/Vo

Obr. 27 Brzdové charakteristiky tramvajové brzdy pro poměry z Obr. 26 (trambr2.xls)

Obr. 28 Tramvajová brzda s přibuzováním (trambr.dwg) Jak bylo uvedeno, je činnost tramvajové brzdy závislá na remanenci, což neposkytuje dostatečnou spolehlivost, která se pro brzdu požaduje. Požadavek zabezpečení funkce lze zajistit například doplněním brzdového obvodu o přibuzování z baterie podle Obr. 28. Toto přibuzování se uplatňuje pouze pokud platí r. 36

Uc > RbIb = Rb (Ic + Ik )

Jak proud v kotvě postupně roste, klesá proud z baterie až do zavření diody. Průběh charakteristiky indukovaných napětí v okolí počátku pak odpovídá Obr. 29, kde je znázorněno, jak se na Ib podílí proudy Ic a Ik.. Problémem je ovšem bezpečné galvanické oddělení obvodů baterie od trakčního obvodu. Zapojení baterie jedním pólem na zemní potenciál trakčního obvodu nelze z hlediska norem považovat za dostatečné, i když bylo používáno. - 29 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 3. Tramvajová brzda

800

E [V]

600

400

200

0 0

100

200

300

400

500

Ib [A]

Obr. 29 Charakteristika indukovaných napětí s přibuzováním podle Obr. 28, maximální proud z cizího zdroje 100A, detail přibuzování (trambr2.xls) Poměrně často se používá tramvajová brzda v zapojení, kdy dva trakční motory pracují paralelně do společného odporu. V takovém případě je pro stabilní chod nezbytné vzájemně překřížit budicí vinutí obou strojů podle Obr. 30. Bez tohoto opatření by náhodný vzrůst proudu jednoho z motorů vedl ke vzrůstu jeho napětí, následně k dalšímu vzrůstu jeho proudu atd. až do stavu, kdy jeden motor jako generátor pracuje do druhého jako spotřebiče se zkratovými proudy.

Obr. 30 Paralelní chod sériových motorů při brzdění se "zkříženými magnety" (trambr.dwg) Praktické případy použití tramvajové brzdy jsou uvedeny dále.

- 30 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 4. Ochrany v trakčním obvodu

4 OCHRANY V TRAKČNÍM OBVODU Ochrany trakčního obvodu chrání zařízení jednak proti nebezpečným napětím, jejichž příčinou jsou především přepětí v troleji (spínací pochody, atmosférická přepětí), jednak proti nadproudům, které vznikají jako důsledek poruchy v obvodech vozidla nebo i mimo ně. U vozidel se sériovými motory je pro ochranu motorů proti přeotáčkám i nebezpečnému napětí na komutátoru (u motorových skupin) důležitá skluzová ochrana. Principiální uspořádání ochran na stejnosměrné lokomotivě je na Obr. 31.

Obr. 31 Příklad ochran trakčního obvodu (ochrany.dwg) V tomto případě tvoří přepěťovou ochranu proti vnějším přepětím svodič přepětí SP. Podpěťové relé Umin zaručuje, že při hlubokém poklesu (ztrátě) napětí v troleji bude vypnut hlavní vypínač (HV) aby bylo zajištěno, že po obnově napětí se bude opakovat postup najíždění stupňů od nejnižšího a správný postup při rozběhu pomocných pohonů. Nadproudovou ochranu tvoří především hlavní rychlovypínač (HV), vybavovaný jednak svou vlastní nezávislou nadproudovou spouští, jednak reaguje na popud všech ostatních nadproudových ochran. Uvedeny jsou: •

nadproud na vstupu vozidla,

•

nadproudy motorových skupin a topení vlaku

•

diferenciální ochrany trakčních a pomocných obvodů (dI a dIpp).

Diferenciální ochrana reaguje na rozdíl proudů, které do obvodu vstupují a z něho vystupují, tedy především na přeskoky na zem při přejiskření na komutátorech motorů.

- 31 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 4. Ochrany v trakčním obvodu Relé skluzové ochrany (dU) reaguje na rozdíl mezi napětími na kotvách motorů, které tvoří motorovou skupinu. Při dosažení určité velikosti rozdílu napětí se jednak aktivuje protiskluzová ochrana, jednak při větším rozdílu vypíná hlavní vypínač, aby se předešlo poškození motoru ve skupině, jehož napětí překročilo bezpečnou hodnotu. Další (nezakreslené) ochrany se mohou týkat ochrany rozjezdových odporníků a/nebo trakčních motorů proti přehřátí (ztráta ventilace) v závislosti na provedení, provozních podmínkách a požadavcích na vozidlo.

- 32 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 5. Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením

5 STEJNOSMĚRNÁ VOZIDLA SE STUPŇOVÝM ŘÍZENÍM Počet různých typů stejnosměrných vozidel se stupňovým řízením je ohromný, ale s určitým zjednodušením jde o obměny, kombinace a zdokonalování principů shrnutých v předchozí kapitole. Několik dále uvedených příkladů zapojení skutečných vozidel bylo vybráno především s cílem ilustrovat aplikaci těchto principů a ilustrovat rozdíl mezi principem a jeho technickou realizací. K uvedeným příkladům by proto bylo pro plnou srozumitelnost zapotřebí obsáhlejšího komentáře, který je třeba v případě potřeby hledat v popisech konkrétních vozidel. Zjednodušené schéma trakčních obvodů tramvaje T3 ČKD je na Obr. 32 včetně spínacího programu.

Obr. 32 Schéma trakčních obvodů tramvaje T3 s výzbrojí TR37 - ČKD Praha (podle firemního prospektu) (t3.dwg) Charakteristickým zařízením je přístroj kombinující odporník s příslušným přepínačem do konstrukčního celku označovaného jako „zrychlovač“. (Obr. 33 podle [6]). Přepínání stupňů se provádí přitlačováním jednotlivých kontaktů k odbočkám na odporníku. Kontakty jsou uspořádány na vnitřní válcové ploše a jsou přitlačovány kladkou, jejíž pohyb je řízem elektrickým servomotorem. Počet rozjezdových/brzdových stupňů v různých provedeních je 99/188 resp. 101/202 stupňů a to představuje prakticky plynulé řízení, pro vozidla MHD velmi žádoucí. Při jízdě jsou obě motorové skupiny zapojeny paralelně a z bodu A je proud veden přes obě části odporníku zrychlovače a přídavné odporníky se stykači R1 a R2. Při brzdění je trakční obvod odpojen od troleje. Motory M1 a M2 jsou zapojeny do série s budicím vinutím motorů M3 a M4, motory M3, M4 do série s budicím vinutím motorů M1 a M2 a obě skupiny paralelně ke společnému odporníku zrychlovače jako brzdovému odporníku. - 33 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 5. Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením

Obr. 33 Zrychlovač pro tramvaje ČKD (obr_cb.bmp) Těchto vozidel bylo vyrobeno od roku 1962 více než 13000 ks a jsou v provozu ve většině států bývalého východního bloku spolu s dalšími odvozenými variantami. V současné době jsou rekonstruovány různými firmami na pulzní regulaci pro prodloužení životnosti a zvýšení hospodárnosti (odstranění ztrát při rozjezdu a využití rekuperačního brzdění).

Obr. 34 Zjednodušené schéma trakčních obvodů lokomotivy 82E (sch_82.dwg) Na Obr. 34 je schéma trakčních obvodů dvoudílné stejnosměrné lokomotivy pro rychlost 160 km/h pro železnice v Rusku. Osm trakčních motorů ve čtyřech motorových skupinách umožňuje skupinové řazení se třemi hospodárnými stupni, při kterých připadá na motor napětí 375, 750 nebo 1500 V podle Obr. 35. S výjimkou sériového spojení všech 8 motorů jsou trakční obvody obou dílů nezávislé. Skupinové řazení - 34 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 5. Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením zajišťují stykače podle Tab. 3. Elektrická odporová brzda je cize buzená napájená z pulzního měniče, který je napájen napětím z odbočky odporníků. Zapojení při elektrické brzdě je obdobné dále uvedené lokomotivě 80E, jeho realizace stykači a přepojovači je ale složitější. Ventilátory pro chlazení odporníků jsou v obou případech napájeny z odbočky na odpornících. Tab. 3 Spínání při skupinovém řazení lokomotivy 82E podle Obr. 34 Zapojhení

Stykače

Série

Sérioparalel

Paralel

díl I

díl II

díl I

díl II

0291

0291

0572

0291

0401

0592

0572

0301

0311

0582

0301

0591

0402

0302

0411

0581

0312

0571

0602

0571

0292

0292

0412 0302 0292

Obr. 35 Skupinové řazení lokomotivy 82E (skup_82.dwg) Konečně posledním příkladem je lokomotiva vyráběná pro ČD s označením 365 (76E) a pro DR (býv. NDR) s označením 280 (80E). Lokomotiva byla určena pro styk mezi oběma drahami na trati Praha2

Drážďany a je dvouproudová pro 3 kVss a 15 kV, 16 /3 Hz. Jde pravděpodobně o vůbec poslední typ lokomotivy, který byl vybaven stupňovým odporovým řízením (na obou systémech). Na Obr. 37 je pouze část schématu s motory a jejich příslušenstvím, odporníky, stykači atd. Obvody jsou napájeny buď přes hlavní vypínač (není znázorněn) z troleje nebo z diodového usměrňovače přes tlumivky L05, L06. Napájení je přepínáno přepojovačem Q23, činnost je jinak na systému nezávislá. Lokomotiva má již odporovou brzdu cize buzenou z odbočky odporníku (viz kapitola 7). Můstkový přechod je doplněn v úhlopříčce diodou (blok U15), která při můstkovém přechodu nedovolí pokles proudu v motorech. Odporníky jsou chlazeny ventilátory napájenými z odbočky odporníků. Schéma umožňuje poruchovou jízdu s jednou motorovou skupinou. Všechny alternativy jsou schematicky znázorněny na Obr. 36.

- 35 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 5. Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením

Obr. 36 Schématické znázornění různých provozních stavů trakčních obvodů lokomotivy 76E/80E (76e.dwg)

- 36 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 5. Stejnosměrná vozidla se stupňovým řízením

Obr. 37 Schéma obvodů trakčních motorů lokomotivy 80E (80e.bmp) - 37 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

6 STEJNOSMĚRNÝ MOTOR NA STŘÍDAVÝCH VOZIDLECH Střídavá napájecí soustava je používána prakticky výhradně pro napájení železničních vozidel. Výjimku tvoří zřejmě jen lehká vozidla tramvajového typu, která jsou schopna provozu ze sítě 750 Vss ve městě a se střídavým napájecím systémem na příměstských železničních tratích (Saarbrücken, Karlsruhe [2], [3] aj.). V této souvislosti vyvstává závažná otázka koexistence vozidel různé mechanické odolnosti na jedné síti (viz [4]). Střídavá napájecí síť umožňuje přenos potřebných výkonů vyšším napětím na větší vzdálenosti při lehčím trolejovém vedení. Pokud se používaly přímé motory napájené střídavým proudem byl používán 2

prakticky výhradně systém 15 kV, 16 /3 Hz, který jejich stavbu umožňoval. Jejich vlastnosti se ale nevyrovnaly vlastnostem motorů stejnosměrných.

6.1

CELKOVÉ USPOŘÁDÁNÍ Široké použití stejnosměrných motorů na vozidlech střídavé napájecí soustavy je přímo spojeno

s rozvojem výkonové elektroniky, především s výrobou polovodičových diod. Od té doby se také datuje definitivní rozšíření napájecí sítě 25 kV, 50 Hz. V dalším se budeme zabývat pouze vozidly s diodovými usměrňovači, protože jsou to prakticky jediná současně u nás provozovaná vozidla tohoto druhu. Základní schéma vozidla a napájení je na Obr. 38.

Obr. 38 Principiální uspořádání napájení a vozidla na střídavém systému (zakl_sch.dwg) Trolejové vedení je napájené z transformátorů 110/27,5 kV v napájecích stanicích. Naznačeno je tzv. zapojení do „V“ pro vytvoření dvou jednofázových systémů z třífázového. Ze zřejmého důvodu jsou úseky napájeny výhradně jednostranně, což snižuje výhodu vyššího napájecího napětí. Na vozidle je napětí pro napájení trakčních motorů řízeno přepínáním odboček na trakčním transformátoru, dále usměrněno diodovým můstkovým usměrňovačem a proud vyhlazen tlumivkou. Jednotlivá zařízení budeme dále sledovat podrobněji. Náhradní schéma obvodu podle Obr. 38 je na Obr. 39. Napájecí stanice je reprezentována (tvrdým a sinusovým) napětím Ua

,

jehož jmenovitá hodnota pro systém 25 kV je na výstupu 27,5 kV, reaktancí

transformátoru Xn a případně též náhradním odporem Rn napájecího transformátoru. Trolejové vedení je nahrazeno podélnou indukčností, odporem a příčnou kapacitou, jejichž velikosti závisí na délce vedení. Jde přirozeně jen o přibližné znázornění vhodné pro dále uvedené úvahy.

- 38 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Trakční transformátor lze nahradit ideálním transformátorem s převodem p, rozptylovou reaktancí Xt a náhradním odporem Rt, který reprezentuje jeho ztráty. Magnetizační proud lze většinou zanedbat. Při jmenovitém napětí činí řádově 1% jmenovitého proudu, ale se vzrůstem napětí rychle roste a deformuje se 3. harmonickou. To je důsledkem vysokého využití magnetických materiálů při velkém kolísání napětí v troleji. Diodový usměrňovač lze většinou považovat za ideální.

Obr. 39 Celkové náhradní schéma napájení a vozidla (cele_sch.dwg) Stejnosměrný obvod obsahuje především vyhlazovací tlumivku s indukčností Ld, která bývá silně závislá na předmagnetizaci stejnosměrnou složkou usměrněného proudu a náhradním odporem Rd, který v sobě zahrnuje odpor tlumivky a podle okolností i další odpory. Pro vlastní motor platí to, co bylo uvedeno v kapitole 1. Pro zjednodušení byly ovšem (například 4) trakční motory nahrazeny jediným. Pro další úvahy schéma později dále zjednodušíme.

6.2

TRANSFORMÁTOR A NAPÁJECÍ SÍŤ Hlavním novým zařízením lokomotiv při napájení ze střídavé sítě je kromě usměrňovače a tlumivky

trakční transformátor. Transformátor významně ovlivňuje vlastnosti i konstrukci vozidel, zejména •

umožňuje optimálně volit jmenovité napětí trakčních motorů použitím vhodného transformačního

poměru, takže trakční motory pro tyto lokomotivy jsou výrazně menší a lehčí než pro vozidla na 3 kVss, •

umožňuje hospodárné řízení napětí trakčních motorů,.

•

umožňuje jednoduše vytvořit další, galvanicky oddělená napětí pro různé jiné účely (pomocné

pohony, topení vlaku apod.), •

pro své rozměry a hmotnost musí být umístěn ve středu vozidla a rozmístění ostatní výzbroje je

tím do značné míry určeno. Hlavními technickými parametry trakčního transformátoru jsou zejména •

jmenovité napětí primárního vinutí a jeho kolísání (trvalé a krátkodobé),

•

napětí trakčních sekundárních vinutí a jejich počet (obyčejně alespoň 2) určené ze jmenovitého

napětí trakčních motorů a úbytků napětí v obvodu, •

jmenovitý proud trakčního sekundárního vinutí, který závisí na proudu napájených trakčních

motorů, ale často bývá nižší (například 80% jmenovitého proudu motorů) podle charakteru provozního zatížení vzhledem k dlouhé tepelné časové konstantě transformátoru, •

poměrné napětí nakrátko je u lokomotiv s diodovými usměrňovači určeno ohledy na ochranu

usměrňovače (bývá 8…12%), u tyristorových (viz následující díl) zkratuvzdorností vinutí (bývá asi 6..7%), - 39 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech •

počet odboček (často 32, snad podle prvních francouzských lokomotiv tohoto druhu),

•

počet, napětí a proudy dalších pomocných vinutí

například pro napájení vlakového topení a

vlastní spotřeby trakčního vozidla ev. soupravy. Řízení velikosti výstupního napětí transformátoru se provádí změnou převodu transformátoru přepínáním odboček. V zásadě existují dvě možnosti •

řízení napětí na sekundární straně (na straně nízkého napětí - „nízkonapěťová - nn regulace“) a

•

předřazení regulačního autotransformátoru připojeného k trolejovému napětí před vlastní trakční

(snižovací) transformátor s pevným převodem („vysokonapěťová - vn regulace“). Pro oba způsoby platí, že •

při přepínání odboček se proud nesmí přerušit a napětí musí růst nebo klesat monotónně,

•

počet napěťových stupňů musí být dostatečný pro dosažení přijatelných skoků proudu trakčních

motorů a tažných sil, •

na prvním stupni musí být dosaženy poměry podobné jako u nájezdového stupně stejnosměrných

vozidel.

Obr. 40 Schéma nízkonapěťové regulace napětí (vn_reg.dwg) Příklad zapojení pro řízení napětí přepínáním odboček na sekundárním vinutí je na Obr. 40. Přepínání se provádí jednak voličem odboček (VO), který spíná a vypíná bez proudu, jednak stykači S1, S2, S3, které jsou schopny proudy vypínat. Spínací program pro přechod z 2. na 3. odbočku je také v Obr. 40. Nízkonapěťová regulace byla hojně používána už pro řízení napětí střídavých komutátorových motorů na vozidlech soustavy 15 kV. Jejími hlavními nevýhodami je nutnost spínání velmi značných proudů, které odpovídají součtu proudů všech trakčních motorů (jsou zapojeny paralelně), obyčejně v řádu několika kA. Proto jsou příslušné přístroje rozměrné a těžké, vyžadují pro pohon značný výkon a pracují poměrně pomalu. Také počet odboček je z těchto důvodů nutno volit co nejnižší. Na druhé straně je transformátor (pomineme li problémy s vývody pro velké proudy) poměrně jednoduchý a faktor výkonu na dílčích stupních je příznivější než u regulace vysokonapěťové. Kromě toho existují různé možnosti jak rozdělit přídavnými zařízeními napěťový skok mezi odbočkami na menší díly nebo dokonce dosáhnout přechodu prakticky plynulého (i bez použití elektroniky, pomocí přídavného transformátoru, transduktory apod., použito již pro přímé motory a v určité vývojové fázi i u VN regulace). - 40 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Z uvedených důvodů převažovalo použití nízkonapěťové regulace i při použití diodových usměrňovačů a stejnosměrných motorů na dráhách elektrifikovaných systémem 15 kV, kde bylo již osvojeno.

Obr. 41 Schéma řízení napětí u vn regulace (vn_reg.dwg) Principiální schéma vysokonapěťové regulace je na Obr. 41. Transformátorová souprava se skládá z autotransformátoru (AT), který má potřebný počet odboček (často 32). Tyto odbočky jsou přepojovány podobně jako při nn regulaci bez proudu voličem odboček (VO), který je ale v tomto případě v oleji společně s transformátorem. Odpadá tedy potřeba velkého množství průchodek pro vysoké napětí. Vlastní přepínání se provádí stykači (PO - na víku). Postup při přechodu z 2. na 3. odbočku je v Obr. 41 naznačen. Hlavní (trakční) transformátor (HT) je pak již jednoduchý, jeho primární vinutí je napájeno proměnným napětím z odpovídající odbočky autotransformátoru. Spínače V0 i S1…S4 přepínají v tomto případě výrazně nižší proud při napětí mezi stupni, které odpovídá jejich počtu (např. 25000/32=780V). Počet stupňů není proto příliš omezen. Na HT bývají alespoň 2 trakční sekundární vinutí např. pro oddělené napájení motorů jednotlivých podvozků, čímž se zvyšuje spolehlivost trakční výzbroje (zálohování). Na druhé straně je transformátor větší, těžší a složitější (volič odboček v oleji) než u nn regulace. Ve skutečnosti ovšem existují úspornější uspořádání magnetického obvodu, než na Obr. 41. Výsledná poměrná reaktance (xk) soustrojí se při přepínání mění velmi značně (na nižších odbočkách roste) a to v těchto případech zhoršuje energetické parametry vozidla. Napětí, jejichž vinutí se při přepínání odboček nemá měnit musí být přirozeně na autotransformátoru. Od běžných transformátorů podobného výkonu se trakční transformátory zásadně liší: •

jde o transformátory jednofázové,

•

regulace napětí se děje pod výkonem a v celém rozsahu napětí,

•

kolísání vstupního napětí je velké ( až -30%…+20%),

•

kromě hlavních vinutí má transformátor další sekundární vinutí pro napájení topení vlaku,

pomocných pohonů apod., •

proud trakčního vinutí, který odebírá usměrňovač není sinusový, obsahuje velký podíl vyšších

harmonických, - 41 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech •

transformátor je napájen trolejovým vedením s parametry závislými na poloze vozidla,

•

vzhledem k rozměrovým a hmotnostním omezením, které plynou z umístění na vozidle je využití

vinutí i magnetického obvodu poměrně vysoké, účinnost nižší a nároky na chlazení větší, •

kromě transformátorového oleje se užívají i jiná izolační a chladicí média, nehořlavá a ekologická,

ovšem výrazně dražší a s horšími vlastnostmi. V každém případě jde o speciální stroje v mnoha ohledech. Pro většinu výpočtů se náhradní schéma napájecího obvodu a transformátoru proti Obr. 39 zjednodušuje (Obr. 42). Kapacita vedení se zanedbává, reaktance a odpory napájecí stanice, vedení a transformátoru se přepočítají na napětí zvoleného sekundárního trakčního vinutí podle známých vztahů. Zároveň je třeba zvolit výkon, na který se parametry přepočítávají. Ten může podle okolností odpovídat výkonu všech trakčních vinutí, výkonu jednoho usměrňovače, jednoho motoru, výkonu jednoho trakčního vinutí ap. podle toho, kterou část obvodu sledujeme. Pro výpočet a přepočet reaktancí platí známé vztahy r. 37

X=

xk % U jm [Ω,%,V,A] . 100 I jm

r. 38

X=

Sk

r. 39

U  X 2 = X1 2   U1 

[Ω,MVA,kV]

U 2jm

pro výpočet reaktance transformátoru

pro výpočet reaktance ze zkratového výkonu

2

pro přepočet reaktance mezi obvody s různým napětím

Pro výpočet náhradního odporu transformátoru ze jmenovitých ztrát nakrátko ∆PCu lze použít vztah r. 40

R=

∆PCu I 2jm

[Ω, W, A]

Při přepočtech na dále uvedené náhradní schéma je třeba vždy pečlivě uvážit napětí, proudy a ztráty, které je třeba v konkrétním případě použít (proud jednoho motoru, jednoho sekundárního vinutí, celé trakce a tomu odpovídající ztrátové výkony v transformátoru, rozdílná jmenovitá napětí napájecí stanice a vozidlového transformátoru atd.). Po přepočtu se střídavá strana obvodu redukuje na napěťový zdroj, jehož napětí nejčastěji odpovídá jmenovitému napětí naprázdno sekundárního vinutí a s ním v sérii zapojenou reaktanci a odpor.

6.3

USMĚRNĚNÍ A VYHLAZENÍ Pro usměrnění se používá prakticky výhradně diodový usměrňovač v můstkovém zapojení.

Obyčejně se potřebný výkon získává z několika odděleně napájených usměrňovačů s ohledem •

na proudové parametry (omezení paralelního řazení součástí),

•

na napěťové parametry (omezení sériového řazení součástí),

•

zálohování usměrňovačů (možnost provozu vozidla sníženým výkonem při poruše).

První dvě hlediska byla významná především v dobách, kdy parametry součástí byly daleko nižší než dnes, třetí ovšem platí stále.

- 42 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Trakční usměrňovače nepoužívají jako ochranu pojistky ani na vstupu, ani na výstupu. Jedinou ochranou je hlavní vypínač ve vn přívodu transformátoru. Jeho doba vypínání je ovšem poměrně dlouhá (pro tlakovzdušné vypínače asi 60…100ms, pro vakuové asi 30…60 ms, ty ale nebyly v době stavby sledovaných vozidel k dispozici). Usměrňovače se pak dimenzují tak, aby při zkratu za vyhlazovací tlumivkou , která významně omezuje rychlost nárůstu zkratového proudu nedošlo do doby vypnutí hlavního vypínače k poškození usměrňovače. Proto mívají transformátory pro lokomotivy s diodovými usměrňovači také větší rozptylovou reaktanci, obyčejně 8..12%. S ohledem na komutaci trakčních motorů je nezbytné omezit velikost střídavé složky proudu, která prochází budicím vinutím. Tato střídavá složka indukuje do komutující cívky transformační napětí. To není účinkem pomocných pólů kompenzováno a proto působí jiskření. Jednou cestou je omezit střídavou složku proudu zvětšením indukčnosti ve stejnosměrném obvodu vyhlazovací tlumivkou tak, aby zvlnění usměrněného proudu nepřesáhlo dovolenou mez. Ta se pro jmenovitý proud pohybuje obyčejně v mezích 25..35%. Druhou možností je odvést střídavou složku mimo budicí vinutí. To se dosahuje zapojením odporníku paralelně k budicímu vinutí, který se označuje jako trvalý šent (viz dále). Základní vlastnosti, průběhy a závislosti budeme sledovat na náhradním schématu, ve kterém zanedbáme odpory (Obr. 42). Předpokládáme, že protinapětí motoru je konstantní a napájecí napětí je sinusové r. 41

ua = Ua 2. sin ωt = Ua 2. sin x

kde

x =ωt

Obr. 42 Náhradní schéma bez odporů (cele_sch.dwg) To platí poměrně přesně o napětí na síti 110 kV z níž je napájen transformátor v napájecí stanici, ale jen za značně idealizovaných poměrů i na primárním vinutí vozidlového transformátoru (odpovídá to předpokladu, že před ním není v síti žádná impedance). Do vstupní reaktance Xa proto musí být započtena i celá reaktance v napájecí síti, která vzhledem k reaktanci vozidlového transformátoru může být poměrně významná (například 10 % z celkové reaktance obvodu). Zároveň to ovšem znamená, že výsledky výpočtu i skutečné vlastnosti vozidla závisí na tom, pro jaké předpoklady se výpočet provádí nebo jaká je momentální konfigurace napájení. Tato skutečnost nemusí být na první pohled patrná a může vést k různým nedorozuměním při hodnocení výsledků měření v porovnáním s výpočtem. Usměrňovač podle Obr. 42 pracuje obecně ve dvou režimech, které se periodicky střídají •

vedení do zátěže, kdy je střídavý a stejnosměrný obvod zapojen do série a

•

komutace, kdy jsou oba obvody spojeny usměrňovačem nakrátko.

To ukazuje Obr. 43. Takto zjednodušený obvod má pouze 2 parametry, Xa a Xd. - 43 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

Obr. 43 Náhradní schéma pro vedení do zátěže a při komutaci (kom_sch.dwg) Vedení do zátěže popisuje rovnice r. 42

( X a + X d ) di d dx

+ E = Ua 2 sin x

Poměry při komutaci pro střídavý a stejnosměrný obvod rovnice

di a = U a 2 sin x dx di X d d = −E dx Xa

r. 43

Průběh proudu ve střídavém obvodu odpovídá části průběhu proudu zkratového. Po dobu komutace je napětí na stejnosměrném obvodě rovno protinapětí motoru a proud klesá, Řešení těchto rovnic jednotlivě je prosté. Pro řešení okamžiků (úhlů) změny vedení (změna náhradního schématu) z podmínky periodicity průběhů a spojitosti proudů však dostaneme i pro takto zjednodušené schéma soustavu transcendentních rovnic, které nelze řešit v uzavřeném tvaru. Pro numerické řešení pak tato zjednodušení nejen že nejsou nutná, ale nejsou ani vhodná (vzniká zpravidla nestabilita řešení). Numerické řešení nám poskytuje sice úplnou informaci, ale pouze o konkrétním řešeném případě 1500

ua ud

ia=id

ud

1000

Ua, Ia, Ud, Id

id 500 0 31,0°

2,5°

-500

ia

-1000 ua -1500 0,180

0,185

0,190

0,195

0,200

t [s ]

Obr. 44 Průběh jedné periody napětí, střídavého a usměrněného proudu a usměrněného napětí (usmernovac.xls)

- 44 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Příklad průběhu jednotlivých veličin podle matematického modelu (program Simplorer) je na Obr. 44. Rozdíl mezi střídavým (ua) a usměrněným napětím (ud) je způsoben úbytkem napětí, který vzniká průchodem střídavé složky usměrněného proudu (id) indukčností vyhlazovací tlumivky. Proto je také o naznačený úhel (2,5°) zpožd ěn průchod usměrněného napětí nulou. Střídavý proud ia v Obr. 44 obsahuje kromě první harmonické také další harmonické. Proto je třeba rozlišovat efektivní hodnotu první harmonické a efektivní hodnotu celého průběhu, která je obecně větši (jsou v ní obsaženy i vyšší harmonické). Průběh proudu ia podle Obr. 44 obsahuje následující harmonické složky Tab. 4 Analýza proudu ia z Obr. 44

f Ia

50 930,2 100,00 -29,4

fi

150 203,0 21,82 -48,9

250 107,1 11,52 -98,1

350 64,2 6,90 -145,6

450 39,5 4,25 165,8

550 23,9 2,57 113,6

650 14,4 1,55 53,6

750 9,8 1,05 -15,5

Hz Aef % °

Poměr efektivní hodnoty průběhu a efektivní hodnoty jeho 1. harmonické může být měřítkem obsahu vyšších harmonických a v dalším ho budeme označovat jako koeficient vyšších harmonických, například pro proud r. 44

k vh (i ) =

I ef I1.h. ef

≥1

Jestliže budeme definovat činný jako součin U1.h. ef .I1.h.ef . cos ϕ 1 a zdánlivý výkon jako U ef .I ef a pak jejich poměr , označovaný jako opravdový účiník nebo faktor výkonu je dán vztahem r. 45

µ=

U1.h. ef .I1.h. ef . cos ϕ 1 U ef .I ef

V případě, že napětí je sinusové ( U ef = U1.h.ef ) jak budeme většinou předpokládat a neobsahuje tedy vyšší harmonické redukuje se výraz r. 45 s použitím r. 44 na důležitý vztah r. 46

µ=

cos ϕ 1 k vh (i )

Tyto vztahy budeme dále používat jako charakteristiky u nesinusových průběhů. Viz též díl 1 skript. Pokud chceme pro základní orientaci dostat přehledné vztahy o průbězích při usměrnění je nutno obvod dále zjednodušit a to je možné provést trojím způsobem •

zanedbat reaktanci ve střídavém obvodě (reaktance X a → 0 ), takže změna proudu při komutaci

může v tomto obvodu proběhnout (téměř) skokem, •

předpokládat (téměř) dokonalé vyhlazení proudu ve stejnosměrném obvodu, to znamená velmi

velkou vyhlazovací indukčnost ( X d → ∞ ), •

sloučit oba uvedené předpoklady a sledovat průběh proudů bez komutace a zvlnění.

- 45 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Je zřejmé, že skutečné poměry těmto předpokladům neodpovídají, nicméně se ukazuje, že dávají (s určitými korekcemi) v mnoha ohledech přijatelnou přesnost výsledků pro předběžný návrh. V dalším budeme soustavně sledovat jednak energetické parametry ve střídavém obvodu, protože vypovídají o vlivu vozidla na napájecí síť, jednak zvlnění ve stejnosměrném obvodu, které je důležité pro komutaci motorů. V obrázcích je efektivní hodnota střídavého napětí položena rovna 1 stejně jako střední hodnota usměrněného proudu, takže průběhy jsou zobrazeny v poměrných veličinách. Průběhy hlavních veličin pro případ bez komutace a s úplným vyhlazením jsou na Obr. 45. Střední hodnota usměrněného napětí je r. 47

1π

U 2π

∫ u d (x )dx = π π0

U d stř =

∫ sin (x )dx = π U 0 2 2

Proud Id ve stejnosměrném obvodu je podle předpokladu dokonale vyhlazený, proud ve střídavém obvodu je obdélníkový a jeho rozvoj je r. 48

1 1   Id  sin x + sin 3 x + sin 5 x + .......  π  3 5 

i a (x ) =

4

Fázový posun prvních harmonických je zřejmě nulový, efektivní hodnota první harmonické je rovna r. 49

I1 =

2 2

π

Id

1,5

ud Id

ua, ud, ia, id

1 0,5

x

0 -0,5

0

30

60

90

120 150 180

210 240

270 300

330 360

ia

-1 -1,5

ua

Obr. 45 Průběhy veličin bez komutace a zvlnění (prubehy2.xls) Koeficient vyšších harmonických, který se zřejmě rovná faktoru výkonu (zobecněnému účiníku), je r. 50

k vh = µ =

Id π = ≈ 1,11 I1 2 2

Pokud budeme respektovat reaktanci ve střídavém obvodě při dokonalém vyhlazení usměrněného proudu dostáváme průběhy podle Obr. 46.

- 46 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech ua

1,5

ud Id

ua, ud, ia, id

1 0,5 0 -0,5

x

0

30

60

90

120 150 180 210 240 270 300 330 360

ni ia

-1 -1,5

Obr. 46 Průběhy s komutací při vyhlazeném usměrněném proudu (prubehy1.xls) Usměrněný proud je konstantní, Id , proud ve střídavém obvodě ia při vedení do zátěže rovněž. Pro průběh proudu v komutaci platí r. 43 . Pro počáteční podmínku i a (0 ) = −Id zřejmě

d i a (x ) U a 2 = sin x ⇒ dt Xa

r. 51

i a (x ) = −I d +

Ua 2 x Ua 2 ∫ sin xdx = −I d + X (1 − cos x ) Xa 0 a

Konec komutace proudu nastane v úhlu ν , když proud dosáhne hodnoty Id

r. 52

I d = −I d +

Ua 2 (1 − cosν ) Xa

⇒

cosν = 1 −

2 X aId Ua 2

 X I  1 + cosν = 2 1 − a d   U 2 a  

Doba komutace a tedy i průběh proudu (úbytek napětí, fázový posun 1.harmonické, obsah vyšších harmonických atd.) závisí na zatížení, na napětí a na celé reaktanci ve střídavém obvodě. Střední hodnota usměrněného napětí je postupně s použitím r. 52 r. 53

Ud =

1

π

U π∫ ν

kde Ud 0 =

2 2

π

a

2 sin x dx =

Ua 2

π

 X I  2 U a  1 − a d  = U d 0 − X a I d π π  U 2

(1 + cosν ) = 2

2

Ua je velikost usměrněného napětí naprázdno. Z rovnice r. 53 je vidět, že z hlediska napětí

stejnosměrného obvodu působí komutace úbytek napětí lineárně závislý na proudu Id a z tohoto pohledu lze její důsledky pro stejnosměrný obvod modelovat náhradním (fiktivním) odporem o velikosti

2

π

X a . Ve skutečnosti jde o úbytek na reaktancích ve střídavém obvodu (tedy jalový), převedený do obvodu

stejnosměrného a nepředstavuje tedy výkonové ztráty. Výsledek tohoto předpokladu je nejvhodnější pro přibližné řešení poměrů při usměrnění. Vyhlazení se pak řeší zvlášť. V komutaci se tedy podle Obr. 46 rozdělí celé napětí zdroje na jednotlivé reaktance zapojené ve střídavém obvodu včetně napájecí stanice a vedení. To má za následek, že při komutaci na síti má napětí na primárním vinutí trakčního transformátoru tvar podle Obr. 47. Při skoku na konci komutace se uplatní i - 47 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech kapacita vedení a napětí na hraně zakmitá. Toto zakmitání se přenáší i na sekundární stranu a je ho třeba vzít v úvahu při napěťovém dimenzování součástí měniče a jeho přepěťových ochran.

Obr. 47 Deformace jedné půlvlny vstupního a usměrněného napětí vozidla v důsledku reaktance napájecí sítě a její kapacity (zakmit.dwg) Napájení vozidla z „měkké sítě“ má za následek významný úbytek napětí, závislý na zatížení. Proto také počítá norma s podstatně širšími tolerancemi vstupního napětí i u střídavých vozidel. Na rozdíl od stejnosměrné sítě, kde má úbytek formu prostého snížení napětí je na střídavé síti tento úbytek způsoben jeho deformací. Při tom •

dochází ke snížení střední i efektivní hodnoty napětí na sběrači vozidla v důsledku deformace

křivky napětí a to v různé míře, při čemž na střídavé straně se zpravidla považuje za rozhodující efektivní hodnota, zatímco pro motor je (po usměrnění) směrodatná střední hodnota napětí, •

deformace napětí se projeví ve větší nebo menší míře na vstupu všech vozidel na síti, i když

neodebírají proud, •

této deformaci odpovídají v ustáleném stavu vyšší harmonické napětí v síti.

To ovšem dále komplikuje hodnocení střídavých vozidel a působí zřetelné rozdíly mezi chováním vozidel za ideálních podmínek (na tvrdé síti) a ve skutečných provozních podmínkách. Harmonickou analýzou lze určit efektivní hodnotu sinové a kosinové složky 1. harmonické proudu a její fázový posuv a efektivní hodnotu průběhu podle Obr. 46 v závislosti na úhlu komutace ν . Za uvedených předpokladů platí r. 54

2

Ia sin = Id

π

2

r. 56

I a1 = I d

r. 57

Iaef = Id 1 −

π

(1 + cosν ) (1 + cosν )

2

Ia cos = Id

r. 55

 sinν . cosν − ν +   1 − cosν

  

2

2 sin ν cos ν − ν + 2 (ν cos ν − sin ν ) . π (1 − cosν )2

Výrazy pro odvozené poměrné veličiny jsou

- 48 -

2 sin ν . cos ν − ν . π 1 − cos ν

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

k vh (i ) =

r. 58

I aef I

2 a sin

+I

2 a cos

=

I aef Ia1

a

µ=

r. 59

I a sin I a ef

=

I a1 I a ef

cos ϕ1 =

cos ϕ 1 k vh

Výrazy jsou značně nepřehledné a vzhledem k použitým předpokladům nezaručují vždy postačující soulad se skutečností. Průběhy všech veličin vztažené na Id v závislosti na úhlu komutace jsou na Obr. 48. Je zřejmé, že v oblasti běžně dosahovaných úhlů komutace asi do 30° nejsou zm ěny příliš významné. 1,2 kvh 1,0 Ief/Id 0,8

cos fi

mi

I1/Id

0,6 0,4 0,2 0,0 0

30

60

90

120

150

180

ni

Obr. 48 Průběhy poměrných veličin pro průběh střídavého proudu podle Obr. 46 (usm.xls) Konečně pro případ bez komutace, ale se zvlněním, jsou průběhy všech veličin na Obr. 49 za předpokladu, že po vyhlazení obsahuje usměrněný proud pouze 2. harmonickou. Ostatní (sudé) jsou jednak podstatně menší, jednak indukčností více potlačeny. Základním parametrem průběhu je zřejmě zvlnění, definované podle r. 60 a Obr. 50 jako poměrné číslo (někdy udávané také v %). 1,5

ud

id

ua, ud, ia, id

1 0,5 x

0 0

30

60

-0,5

90

120 150 180 ia

210 240

270 300

330 360

-1 ua

-1,5

Obr. 49 Průběhy bez komutace, se zvlněním (prubehy1.xls) Pro výpočet zvlnění z platí s označením podle Obr. 50 r. 60

z=

Imax − Imin ∆Id = Imax + Imin 2Id - 49 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech Průběh usměrněného proudu podle Obr. 50 lze pomocí zvlnění přibližně popsat vztahem r. 61

i d (x ) = Id − zId sin 2 x = Id (1 − z sin 2 x )

a z něho dostáváme pro 1. harmonickou proudu na střídavé straně postupně

1,5

ud dI

ud, id

1,0 id Imax

Id

0,5

Imin

0,0

x 0

30

60

90

120

150

180

Obr. 50 Zvlnění (prubehy1.xls)

2 2

r. 62

Ia1sin =

r. 63

I a1 cos =

π 2

π

Id

(jako u obdélníkového průběhu) π

Id

∫ (1 − z sin 2 x ) cos x dx = − 0

r. 64

Ia1 = Ia21sin − Ia21cos =

r. 65

cos ϕ1 =

r. 66

Ia1sin Ia1

2 2

=

2 2

π

2  Id 1 +  z  3 

Id .

2 z 3

2

1

2  1+  z 3 

Iaef = Idef = Id 1 +

π

2

1 2 z 2

Ostatní parametry lze snadno určit a jsou v závislosti na zvlnění z v Obr. 51. Pro porovnání uvedeme ještě výsledek analýzy průběhu usměrněného proudu z Obr. 44. Tab. 5 Analýza usměrněného proudu z Obr. 44

f Id fi

100 185,1 177,48

200 24,7 139,77

- 50 -

300 Hz 7,5 A 84,252 °

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

Iaef/Id, cos fi1, Ia1/Id, kvh

1,04 Iaef/Id

1,02 1

cos fi1

0,98 0,96 0,94

Ia1/Id

0,92

kvh

0,9 0,88

z 0

0,1

0,2

0,3

0,4

Obr. 51 Závislost parametrů na zvlnění (zvlneni2.xls) Uvedený postup ovšem neposkytuje závislost mezi zvlněním a velikostí vyhlazovací indukčnosti nutný pro její návrh. Pro řešení lze použít r. 42 pro kladnou půlvlnu a Xa=0 a stejnou cestou jako v předchozím vypočíst vztahy mezi nimiž ale výraz pro zvlnění není, protože zvlnění je definováno „empiricky“ (snadno se určí ze zaznamenaného průběhu). Lze ale použít jinou, obecnější metodu, kterou je možno uplatnit i v mnoha dalších případech. Z hlediska stejnosměrného obvodu je usměrňovač napěťovým zdrojem napětí ud daného tvaru, například podle Obr. 46. Pro obvod pak platí náhradní schéma podle Obr. 52.

Obr. 52„Rozdělení“ náhradního obvodu pro stejnosměrnou složku a vyšší harmonické (kom_sch.dwg) Protože jde o obvod lineární, lze řešit zvlášť poměry pro stejnosměrné složky a zvlášť pro vyšší harmonické resp. pro „všechny ostatní složky“. Dva příklady jsou na Obr. 53 pro různé komutační úhly. Toto rozdělení má fyzikální i praktický význam: •

stejnosměrné složky proudu a napětí přenášejí ve stejnosměrném obvodu prakticky celý výkon

(plyne to z předpokladu, že protinapětí motoru je prakticky nezvlněné, viz výklad o transformačním napětí a komutaci), jsou to veličiny „pracovní“, žádoucí, •

vyšší harmonické („vše ostatní“) jsou složky nežádoucí, zvětšující ztráty, zhoršující komutaci

motoru, působící rušení atd.

- 51 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

Obr. 53 Dva příklady pro výpočet zvlnění (zvlneni.dwg) V ustáleném stavu je hodnota Ud zřejmě střední hodnotou průběhu napětí ud(x). Pro napětí uvh(x) pak platí r. 67

u vh (x ) = u d (x ) − U d = u d (x ) −

1

π

π

∫u

d

(x ) dx

0

Pro stejnosměrné složky platí jako u stejnosměrných vozidel r. 68

Ud = E + Rd Id

a pro vyšší harmonické (důsledek použití usměrňovače), které tvoří zvlnění usměrněného proudu r. 69

u vh (x ) ≈ X d

di vh + R d i vh dx

Pokud zanedbáme ohmický úbytek vyššími harmonickými (pro vyšší harmonické je reaktance rozhodující) dostáváme přibližně r. 70

u vh (x ) = X d

di vh = u d (x ) − U d dx

Pro změnu proudu i vh mezi dvěma úhly x1, x2 dostáváme s použitím r. 67 výraz

r. 71

∆i vh

1 = Xd

x2

∫

x1

U uvh (x )dx = a Xd

x2

∫

x1

u d (x ) − U d dx Ua

Pro zvlnění platí r. 60, kde za ∆Id je třeba dosadit maximální hodnotu integrálu z r. 71. Toho se dosáhne vhodnou volbou integračních mezí x1, x2 a to tak, aby odpovídaly úhlům, ve které integrovaná funkce nabývá hodnoty 0. To nastává v okamžicích, kdy platí ud(xmin,)=ud(xmax)=Ud (hodnota průběhu je rovna jeho střední hodnotě). Podle toho který okamžik zvolíme za počátek, dostaneme ∆Id kladné nebo záporné, ale stejné velikosti. Pro takto zvolené hodnoty mezí plyne z r. 71

r. 72

U ∆I d = a Xd

xmax

∫

xmin

u d (x ) − U d U dx = a .λ (ν ) Ua Xd

- 52 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech kde λ (ν ) je bezrozměrný koeficient závislý pouze na tvaru napětí, který je možno vypočítat podle uvedeného. V závislosti na úhlu komutace je tento koeficient uveden v Obr. 54 [5]. Pro výpočet zvlnění nebo naopak potřebné vyhlazovací indukčnosti platí r. 73

z=

I d max − I d min I d max + I d min

≈

∆I d Ua =λ 2 Id 2X d I d

Při této příležitosti je dobré zdůraznit jak to ostatně plyne z Obr. 52, že obě veličiny tvořící zvlnění Id a

∆I d

jsou na sobě nezávislé (Id závisí na zatížení motoru - provozním stavu a ∆Id

na vyhlazovací

indukčnosti - konstrukčním parametru). Proto jejich podíl, zvlnění, je nutno vždy vztahovat na konkrétní, obyčejně jmenovitý proud. Za jinak stejných okolností je zvlnění při větším proudu menší, při menším proudu větší. ∆Id se mění jen v důsledku změny koeficientu λ, který závisí na proudu v důsledku změny délky komutace; ta je pro typické úhly komutace asi do 35° podle Obr. 54 pom ěrně malá. 0,9 0,8 0,7

lambda

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0

30

60

90

120

150

180

úhel komutace ni

Obr. 54 Průběh koeficientu λ (zvlneni1.xls)

6.4

TRAKČNÍ MOTORY Sériový trakční motor, používaný na střídavých vozidlech se od podobných motorů vozidel

stejnosměrných liší jen málo. Kromě již zmíněné skutečnosti, že jeho napětí lze volit optimálně a proto po stránce rozměrů a hmotnosti vychází výrazně lépe jsou odlišnosti vyvolány napájením zvlněným proudem. V konstrukci je třeba dbát na to, aby nevznikaly vodivé cesty pro nežádoucí vířivé proudy v konstrukčních částech a aby bylo dosaženo vyhovující komutace. Komutaci zhoršuje především transformační napětí indukované z hlavních pólů do komutující cívky a které nemůže být kompenzováno účinkem pomocných pólů. Pro zmenšení tohoto napětí se používají především dva způsoby. Jeden z nich spočívá ve snížení velikosti střídavé složky proudu, tedy vyhlazením, o kterém bylo pojednáno v předešlé kapitole. Účinek je omezen rozměry vyhlazovací tlumivky.

- 53 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech

Obr. 55 Trvalý šent (kom_sch.dwg) Druhý způsob spočívá ve snížení střídavé složky proudu, která teče budicím vinutím. K tomu se používá tzv. trvalý šent. Jde o standardní šentovací odporník (Rs) trvale připojený paralelně k budicímu vinutí a kterým je motor zašentován (pro stejnosměrnou složku proudů!) asi na xss=0,92…0,98. Toto malé zašentování se odpovídajícím (nevelkým) způsobem promítne do otáčkových charakteristik stroje, které jsou dány středními hodnotami proudů v kotvě, buzení a trvalém šentu r. 74

xss =

Ib Rs = Ik Rs + Rb

Pro střídavou složku proudu kotvy se ovšem uplatní i indukčnost budicího vinutí. Pokud zjednodušeně počítáme pouze se základní složkou zvlnění s dvojnásobným kmitočtem sítě, platí pro střídavou složku šentovací poměr r. 75

x st =

Rs

(Rs + Rb )

2

+ (2.2πf .Lb )

2

<< x ss

I při malém zašentování dosáhneme toho, že převážná část střídavé složky teče trvalým šentem namísto budicím vinutím. Trvalý šent musí být pochopitelně dimenzován především na tuto proudovou složku. Uvedenými opatřeními lze dosáhnou plně vyhovujících výsledků. Jinak platí vše, co bylo již o motorech, jejich vlastnostech, charakteristikách, ztrátách atd. řečeno v kapitole 1.

6.5

CHARAKTERISTIKY Pro výpočet trakčních charakteristik platí stejné vztahy jako v kapitole 1.2 s tím, že napětí na motoru se

mění s přepojováním odboček na transformátoru a kromě toho je toto napětí závislé na odebíraném proudu. Závislost středního usměrněného napětí na svorkách motoru na středním odebíraném proudu se označuje jako charakteristika napájecího soustrojí (transformátor, usměrňovač a tlumivka). To je proti vozidlům stejnosměrným prakticky jediný rozdíl v tomto směru. Při výpočtu se obyčejně předpokládá •

sinusové napětí jmenovité efektivní hodnoty na sběrači vozidla,

•

celková reaktance je soustředěna do transformátoru (případně se započtením reaktance

transformátoru v napájecí stanici a troleje pokud je definována), •

z činných ztrát se uvažují pouze činné ztráty v transformátoru, v tlumivce a případně i v kabeláži

a na diferenciálním odporu diod usměrňovače, - 54 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech •

teplota, při níž se berou parametry (odpory vinutí) je vhodným způsobem zvolena (zadána), ale

bývá pro každé zařízení jiná v závislosti na maximálním dovoleném oteplení těchto zařízení (například 2/3 dovoleného oteplení příslušného zařízení), •

zvýšení efektivní hodnoty proudu ve stejnosměrném obvodu vlivem zvlnění se zanedbává,

•

efektivní hodnota proudu ve vinutí transformátoru se považuje za rovnou střední hodnotě

usměrněného proudu, není to však vždy jmenovitá hodnota proudu motoru; může to být hodnota nižší (jak bylo dříve vyloženo). Poslední předpoklad je odůvodněn průběhem závislostí podle Obr. 44, který může poskytnout i představu o přesnosti zjednodušeného výpočtu.

Obr. 56 Náhradní schéma pro model (zakl_sch.dwg) Pro porovnání jsou pro náhradní schéma podle Obr. 56 uvedeny v Tab. 6 výsledky získané jeho modelováním, jednak hodnoty vypočtené podle dříve uvedených zjednodušených vztahů pro typické poměry při napájení jednoho trakčního motoru střídavé lokomotivy. Hodnoty náhradního schématu jsou: Ua=1000 Vef, Id stř=1000 A, La=0,4 mH, Ld=4 mH. Pro model dále Ra=20 mOhm, Rd=40 mOhm.

Tab. 6 Porovnání modelu a výpočtu diodového usměrňovače pro průběh z Obr. 44 Veličina

Model

Výpočet

Rozměr

Proud vinutí trafo Ia ef

993

1000

Aef

Úhel komutace ν

31,0

32,8

°

r. 53

Usměrněný proud Id ef

1019

1028

Aef

r. 66

Amplituda zvlnění ∆I d

717

589

A

r. 72

Poměrné zvlnění

0,36

0,29

-

r. 73

Usměrněné napětí U d

805

820

V

r. 61

755,5

760

V

Se započtením odporů

Protinapětí E

Podle r.

Vzhledem k poměrně značnému zjednodušení je soulad výsledků výpočtu a modelu vcelku dobrý. Ve skutečnosti se uplatňují i další vlivy, například

- 55 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 6. Stejnosměrný motor na střídavých vozidlech •

skutečné ztráty ve vinutí jsou vyšší o přídavné ztráty vyššími harmonickými (neharmonické průběhy

proudu) •

výpočet ztrát v tlumivce je obyčejně zatížen neurčitostí ve ztrátách v železe, která je podstatně větší

než vliv zvlnění. Při modelování obvodu na počítači lze však očekávat pouze v případě, že všechny parametry, které do výpočtu vstupují, jsou dostatečně přesně známé. To ve fázi projektu bývá spíše výjimkou . Východiskem výpočtu je napětí na sekundárním vinutí naprázdno při jmenovitém napětí na sběrači, kterému odpovídá střední hodnota usměrněného napětí Ud0. (podle r. 53). Od něho je třeba odečíst úbytky napětí:

2

•

úbytek komutací podle

r. 53

∆u k =

•

úbytek ztrátami v transformátoru podle

r. 40

∆u t =

•

úbytek na diodách usměrňovače

r. 76

∆ud = nd ∆u p + Rdif Idef

π

X aI d

∆PCu I jm

2

Ia ≈

(

∆PCu I jm

2

Id

)

kde nd je počet diod, protékaných proudem sérii a ∆u p , Rdif prahové napětí a diferenciální odpor diody a •

úbytek na vyhlazovací tlumivce případně dalších odporech v stejnosměrném obvodu (kabely)

r. 77

∆utl = Rtl Idef

Pokud zanedbáme rozdíl mezi velikostí střední a efektivní hodnoty usměrněného proudu Id ≈ Idef a rozdíl mezi velikostí střední hodnoty usměrněného proudu a efektivní hodnotou proudu ve vinutí Id ≈ Iaef (srov. Tab. 6), lze všechny úbytky s výjimkou prahového úbytku na diodách považovat za lineárně závislé na proudu Id. Pro typické poměry se jednotlivé úbytky podílejí na celkovém úbytku zhruba v poměru

∆uk : ∆ur : ∆ud : ∆utl ≈ 70 : 10 : 2 : 18 . Proto lze opravdu nahradit celé soustrojí náhradním fiktivním odporem, na kterém vzniká stejný úbytek r. 78

Rn =

∆uk + ∆ur + ∆ud + ∆utl Idjm

Z hlediska výpočtu trakčních charakteristik lze pak vycházet ze stejných vzorců jako v případě stejnosměrných vozidel s tím, že náhradní odpor se přičte ke skutečnému odporu trakčního motoru a za napětí se bere střední hodnota usměrněného sekundárního napětí naprázdno. Konkrétně pro otáčky (úhlovou rychlost) bude platit r. 79

ω = ω0

Ud 0 − (Rn + Rm )Id E0 (Ib )

Průběh charakteristik je při napájení na střídavém vozidle zřejmě „měkčí“ vlivem zmíněných úbytků. Jinak platí vše, co bylo v této souvislosti uvedeno v kapitole 1.2. V literatuře se uvádí řada složitějších postupů, které berou v úvahu zanedbané skutečnosti. Přesnější a spolehlivější výsledky lze však očekávat obyčejně jen tehdy, když se opírají o korekce podle měření na podobných, provedených zařízeních.

- 56 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda

7 CIZE BUZENÁ ODPOROVÁ BRZDA Základní schéma cize buzené odporové brzdy je na Obr. 57. Jde o nejjednodušší možné schéma cize buzeného dynama zatěžovaného do konstantního odporu. Její použití se přirozeně neomezuje na střídavá vozidla sledovaného typu, ale je pro ně typické a proto se o ní nyní podrobněji zmíníme.

7.1

ZAPOJENÍ A VLASTNOSTI Schéma na Obr. 57 je popsáno rovnicí r. 80

E = E 0 (I b )

ω V = E 0 (I b ) = RI k V0 ω0

a pro brzdnou sílu při stálém proudu I k platí zřejmě r. 81

Fb =

RI k2 konst. .3,6 = ηV V

[N, Ω, A, km/h]

což je známá výkonová hyperbola.

Obr. 57 Základní schéma cize buzené brzdy (kom_sch.dwg) 200

150 Fb [k 100 N] 50

V1

0 0

20

40

Vmax 60 V [km/h] 80

omezení buzením

100

120

omezení výkonem

Obr. 58 Brzdová charakteristika (cbrzda1.xls) Řízení brzdného účinku je zřejmě možné pouze změnou buzení. Brzdový účinek je omezen na jedné straně možnostmi trakčního motoru, zejména - 57 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda •

nejvyšším dovoleným napětím na komutátoru,

•

dovoleným stupněm odbuzení,

•

maximálním proudem, především v buzení

a na druhé straně odporníkem resp. jeho výkonem. Všechny režimy pod touto charakteristikou jsou provozní. Odporníkům je věnována samostatná kapitola. Brzdová charakteristika podle Obr. 58 představuje nejvyšší dosažitelné brzdné síly, jejich omezení v závislosti na rychlosti a skládá se ze dvou větví. V oblasti vyšších rychlostí je brzdná síla omezena výkonem odporníku R Ik2 podle r. 81. Při konstantním výkonu a odporu je i proud odporníku konstantní a tedy musí být konstantní i napětí. Indukované napětí je nutno v průběhu brzdění udržovat na potřebné hodnotě řízením (zvyšováním) budicího proudu. Zvyšování budicího proudu je omezeno jeho maximální hodnotou danou buď oteplením motoru nebo možnostmi zdroje buzení. Pokud je tato maximální hodnota budicího proudu udržována i při dalším poklesu rychlosti, klesá napětí i brzdná síla lineárně k nule. Podle r. 81 a r. 80 r. 82

R Ik =

r. 83

Fb =

V E 0 (I b ) V0

⇒

Ik =

RI k2 R  E 0 (I b ) V .3,6 = . . ηV ηV  R V0

V E 0 (I b ) . V0 R

 E 2 (I ) V  3,6 = 0 2b . .3,6 = konst. .V ηV0 R  2

Odtud je také patrné, že pokud by ani v tomto rozsahu rychlostí neměla brzdná síla klesat, bylo by třeba hodnotu odporu snižovat zároveň s poklesem rychlosti. Touto možností se budeme zabývat později. Velikost odporu R a zároveň rychlosti V1 určíme nejnázorněji s pomocí charakteristiky naprázdno podle Obr. 59. 1000

E=RIk

Vmax

V1 800

E [V]

600

400

200

0 0

200

400 Ib min

600

800 Ib [A]

1000

1200

1400

Ib max

Obr. 59 Určení velikosti brzdového odporníku (cbrzda1.xls)

- 58 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda Východiskem je charakteristika indukovaného napětí, která odpovídá Vmax a hodnota napětí Emax, kterou považujeme při brzdění na motoru v průběhu řízení budicím proudem za přijatelnou. Může to být napětí jmenovité, případně i poněkud vyšší vzhledem k příznivějším komutačním poměrům na motoru (proud je prakticky vyhlazený) a schopnosti motoru zvládnout při jízdě kolísání napětí v troleji. Těmito podmínkami je určen také minimální budicí proud Ib

min,

který je při maximální rychlosti pro vybuzení napětí E zapotřebí.

Z minimálního poměrného buzení s ohledem na komutaci motoru x

min

, (která může být případně poněkud

odlišná při brzdě proti jízdě) pak určíme maximální kotevní proud při brzdění r. 84

I b min = x min . I k

⇒ Ik =

I b min x min

a velikost odporu brzdového odporníku (odpor motoru je zanedbán resp. zahrnut do odporu R) r. 85

E max = R I k = R

I b min x min

⇒

R=

x min .E max I b min

Tím je určen i maximální výkon odporníku E max I k a brzdný účinek brzdy. Při poklesu rychlosti se budicí proud zvětšuje až do dosažení maximálně dovolené hodnoty Ibmax. Rychlost V1 , při níž se tímto proudem ještě vybudí napětí Emax postačující k průtoku proudu Ik brzdovým odporníkem odpovídá zřejmě rychlosti s nejvyšší brzdnou silou. Při poklesu rychlosti následuje přechod do oblasti omezení maximálním budicím proudem (srov. Obr. 59). Zřejmě i zde se příznivě uplatní kompenzace motoru, která umožňuje větší odbuzení a tím větší rozsah rychlostí, při nichž je možno využít plného výkonu odporníku. Také brzdná síla při elektrickém brzdění se přenáší adhezí. Kromě toho se pro brzdění předpokládá podstatně nižší koeficient adheze než při jízdě (např. 015...0,18) a proto často nelze „špičku“ na brzdové charakteristice využít a nějakým způsobem se „ořezává“. To je také hlavní nedostatek brzdění do stálého odporu, které je na druhé straně nejjednodušší a také nejspolehlivější. Pro cizí buzení je třeba mít vhodný řízený zdroj budicího proudu. Na střídavých lokomotivách je k tomu možno použít •

trakční usměrňovač případně připojený na odbočku trakčního sekundáru, protože napětí pro

napájení magnetů je malé, a normální regulaci napětí přepínáním odboček jako při jízdě, •

řízený usměrňovač napájený ze zvláštního vinutí, což je řešení v mnoha ohledech podstatně

výhodnější. Elektrická brzda při obou uvedených řešeních je závislá na přítomnosti napětí v troleji. Při požadavku brzdění bez napětí v troleji je možno využít pro buzení energii z motorů. S výhodou se používá zapojení podle Obr. 60. Z odbočky na brzdovém odporníku je napájen pulzní měnič, kterým je řízena velikost budicího proudu. Pro start brzdění je třeba zajistit počáteční nabuzení z baterie podobně jako u sériové brzdy. Pro skutečně nezávislou brzdu je ovšem nutné zajistit i bez napětí v troleji také chlazení trakčních motorů, odporníku a případné další nezbytné funkce.

- 59 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda

Obr. 60 Cize buzená brzda s buzením z odbočky na odporníku a startem z baterie (kom_sch.dwg)

7.2

ODPORNÍKY Rozjezdové odporníky u vozidel se stupňovou odporovou regulací slouží především pro řízení rozjezdu,

i když mohou být a také bývají využity i jako brzdové (tramvajová brzda). U střídavých vozidel (a u vozidel s plynulou regulací obecně- viz další díly) je rozjezd řešen jinak a odporníky jsou pak určeny jen pro elektrodynamické brzdění. Provedení odporníků závisí hlavně na způsobu jejich chlazení. Nejjednodušší, levné, tiché a spolehlivé chlazení je chlazení přirozené, náporem vzduchu při jízdě. Jejich poměr výkonu k hmotnosti je poměrně malý a proto se používají především pro vozidla menších výkonů, typicky ve vozidlech MHD případně lehkých železničních vozidlech. Odporníky jsou pak nejčastěji umístěny na střeše vozidla, kde jsou poměry pro přirozené chlazení nejlepší a potíže s odvodem otepleného vzduchu malé. Jeho oteplení je také menší než u odporníků chlazených ventilátorem. V provozu typickém pro MHD s častými krátkými rozjezdy a brzděním je větší hmotnost odporníku spíše výhodou. Odporníky jsou zatěžovány krátkodobě a mají současně delší oteplovací časovou konstantu (větší hmotnost, horší chlazení). Lze je tedy krátkodobě přetěžovat, dimenzovat blíže ke střednímu než k maximálnímu okamžitému výkonu. To může do určité míry kompenzovat jejich horší chlazení. Pro větší výkony je při omezených rozměrech nezbytné použít intenzivní cizí chlazení ventilátorem. To umožňuje vysoké využití odporového materiálu, vysokou koncentraci výkonu a malé rozměry za cenu složitějšího zařízení. Teplota odporového materiálu dosahuje hodnot okolo 600°C a oteplení vzduchu p řes 200K. To klade na výpočet i konstrukci zvláštní nároky (roztahování materiálu, změna charakteristik vzduchu při průchodu odporníkem, problém rovnoměrnosti oteplení odporového materiálu aj.). O stanovení elektrických hodnot odporníků bylo a ještě bude pojednáno v souvislosti s různými případy elektrodynamického brzdění a v souvislosti s nabíjením filtru. Ochrana odporníků proti přehřátí je komplikovaná. Oteplovací časová konstanta je za těchto okolností velmi malá (okolo deseti sekund) a přetěžování prakticky nepřichází v úvahu. Velmi zhruba lze jako 3

řádový příklad počítat, že odporník 2 MW může mít objem asi 0,5 m (krychle o hraně asi 800 mm), pro 3

chlazení potřebuje asi 10 m /s vzduchu, který se oteplí asi o 200 K. Při střední vstupní rychlosti vzduchu asi 15 m/s je jeho výstupní rychlost asi 25 m/s. Problémy se sáním značného množství vzduchu a tím spíše s výfukem horkého vzduchu jsou značné. Na lokomotivách slouží odporová brzda často jako spádová a doba jejího plného zatížení se počítá na minuty (u MHD na vteřiny). - 60 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda

Obr. 61 Odporníkový rám podle [7],1 - odporový pásek 32...60mm x 0,4...1,4 mm, 2 - keramické kostky pro uchycení odporového pásku, 3 - izolovaný („ožehlený“) nosný svorník (odpor_2.bmp)

Obr. 62 Skříň s odporníkovými rámy řady

Obr. 63 Odporník řady podle [7] ve spojení

R1P podle [7] (odpor_1.bmp)

s axiálním ventilátorem (svislé provedení) (odpor_3.bmp)

Příklad provedení odporníku je na Obr. 61, Obr. 62 a Obr. 63. Základní varianty umístění odporníků na vozidle a jejich chlazení jsou schematicky znázorněny na Obr. 64. - 61 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 7. Cize buzená odporová brzda

Obr. 64 Varianty umístění odporníku na vozidle (odpornik.dwg) Provedení A) je typické pro přirozeně chlazené odporníky tramvají a podobných vozidel. V provedení B) se používá vlastního i cizího chlazení se směrem proudění v podélné ose. Ve všech případech, ale zvláště u cizího chlazení, je nutno vzít v úvahu oba směry jízdy. Tento problém odpadá při příčném uložení podle F). V uvedených případech je výkon odporníku velmi omezen prostorem, skříň vozidla ale zůstává volná. Varianty C), D) a E) jsou určeny pro vozidla, která mají strojovnu, především lokomotivy.

- 62 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 8. Proudy vyvolané remanencí

8 PROUDY VYVOLANÉ REMANENCÍ U vozidel s usměrňovačem (i řízeným) nebo s pulzními měniči, všude kde se vyskytuje nulová dioda nebo stejně působící obvod, který umožňuje, aby se proud v obvodu motorů uzavíral může v principu docházet k jevu, který vyložíme podle Obr. 65.

Obr. 65 Vznik remanentních proudů (kom_sch.dwg) Pokud otáčením motoru vzniká vlivem remanence napětí naznačeného směru, vyvolá v obvodu motoru proud, který je přes usměrňovač uzavřen dokrátka a ten motor dále přibuzuje. Jde o podobný jev jako u tramvajové brzdy s tím rozdílem, že •

vzniká zpravidla na taženém vozidle, kde ani nemusí být obsluha,

•

má lavinový charakter a proudy při tom mnohonásobně překračují maximální provozní hodnoty,

takže mohou rychle vést k poškození všeho dotčeného zařízení, především usměrňovače a motoru, •

v obvodu motorů nebývají výkonové vypínače, schopné tyto proudy vypnout, takže jediným

způsobem jejich přerušení je zastavit, •

postižené vozidlo intenzivně brzdí a snadno přejde do opakovaného smyku.

Příčina lavinového charakteru je zřejmá z Obr. 66. Souvisí s nelineární charakteristikou obvodu, v němž se vzhledem k malým napětím výrazně uplatní propustná charakteristika diod. 14 V3 12 10 E [V]

V2 8 6 charakteristika obvodu

4 2

V1

0 0

500

1000 Ik [A]

Obr. 66 Remanentní proudy (cbrzda1.xls)

- 63 -

1500

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 8. Proudy vyvolané remanencí Při rychlosti V1 je proud nepatrný, při V2 je na hranici stability a při jejím překročení zřejmě rychle roste do nepřípustných hodnot. Nejčastěji k tomu dochází při rychlostech 5..15 km/h, kdy je rychlé zastavení proveditelné. Jde o jev nebezpečný a typickým případem jeho vzniku je situace, kdy vozidlo je po skončení jízdy taženo opačným směrem. Pro jeho zamezení je třeba včas (před vznikem remanentních proudů) obvod motorů rozpojit. Zajistit to bez zbytečného spínání a rozpínání za všech provozních okolností není zcela jednoduché.

- 64 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 9. Střídavá vozidla se stupňovým řízením

9 STŘÍDAVÁ VOZIDLA SE STUPŇOVÝM ŘÍZENÍM 9.1

OSTATNÍ TRAKČNÍ PŘÍSTROJE A OCHRANY Jako „přechod“ mezi principy, uvedenými v předchozích kapitolách a schématy pro skutečné provedení

v následující kapitole uvedeme poněkud doplněné, ale stále ještě podstatně zjednodušené schéma střídavé lokomotivy. Na Obr. 67 je schéma doplněné o hlavní přístroje a ochrany. Co se týče přístrojů jedná se například o •

odpojovače sběračů (pro případ poruchy jednoho z nich),

•

hlavní vypínač HV, u tohoto druhu vozidel obyčejně tlakovzdušný,

•

uzemňovač pro převedení trakčního proudu do kolejnic mimo nápravová ložiska,

•

odpojovače ve vývodech trakčních vinutí umožňující odpojení usměrňovače při poruše (poruchová

jízda na 2 motory), •

odpojovače v obvodech motorů pro poruchové odpojení jednotlivých motorů a ochranu proti

remanentním proudům, •

přepojovače měničů směru,

•

šentovací stykače,

•

bočníky pro měření proudů motorů na stanovišti.

Hlavními ochranami v trakčním obvodu jsou zejména •

svodič přepětí SP (ochrana proti atmosférickým přepětím),

•

dvouvinuťové měřicí transformátory proudu na vstupu a výstupu primárního vinutí I1ma; vinutí na

vstupu měří (nad)proud lokomotivy a druhé spolu s jedním vinutím v zemní větvi tvoří diferenciální ochranu transformátoru; druhé vinutí v zemní větvi slouží např. pro měření spotřeby, •

měřicí transformátory proudu na sekundárních vinutích I2max; při zapojení nízké odbočky na

autotransformátoru nemusí při nadproudu v obvodu motoru velikost primárního proudu stačit pro vypnutí hlavního vypínače, •

plynové relé transformátoru PR reagující na vznik plynů v nádobě, typicky při přeskoku v oleji,

•

kontaktní teploměr oleje transformátoru,

•

zemní ochrana na sekundárních vinutích ZR1, ZR2; trakční obvod by jinak nebyl uzemněn, jeho

potenciál proti zemi by byl určen kapacitními vazbami v celém trakčním obvodu značně neurčitě; kromě toho umožňuje relé zjistit většinu případů zemního spojení, které sice nemusí způsobit okamžitou havárii, ale vyžaduje prověření a opravu při nejbližší příležitosti, •

přepěťová ochrana PP1, PP2 (zpravidla „plovoucí“ ochrana) na vstupu usměrňovače,

•

nadproudová relé motorů IM1max…IM4max (nadproudová ochrana jednotlivých motorů podobně

jako u stejnosměrných lokomotiv- Obr. 31), •

podpěťové relé Umin, často na některém z pomocných

stejnosměrných vozidel, •

nadproudová ochrana vinutí vlakového topení.

- 65 -

vinutí se stejným úkolem, jako u

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 9. Střídavá vozidla se stupňovým řízením Přirozeně se nejedná o všechny, nýbrž jen o vybrané, typické případy. U zahraničních lokomotiv bývá například izolována nádoba transformátoru a mezi ni a kostru je zapojena rovněž zemní ochrana se zřejmým účelem.

Obr. 67 Zjednodušené schéma střídavé lokomotivy se stupňovým řízením (st_loko.dwg)

9.2

PŘÍKLAD TRAKČNÍCH OBVODŮ REALIZOVANÉ LOKOMOTIVY Pro porovnání Obr. 67 a skutečného zapojení střídavých lokomotiv uvedeme schéma trakčních obvodů

čtyřnápravové lokomotivy (ŠKODA 64E) podle Obr. 68. Jedná se univerzální lokomotivu s výkonem 3200 kW, 120 km/h pro Bulharské dráhy. Úkol vyložit účel jednotlivých zařízení ponecháváme čitateli.

- 66 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 9. Střídavá vozidla se stupňovým řízením

Obr. 68 Schéma trakčních obvodů střídavé lokomotivy 64E (BDŽ) (64e.tif) - 67 -

Elektrická trakce 2 - Stupňové řízení sériového motoru 10. Literatura

10 LITERATURA [1] Chládek, J., Lammeraner, J.: Elektrické stroje na stejnosměrný proud, SNTL Praha 1957 [2] Ludwig, D., Forcher, P.: Stadtwagen Karkruhe für Gleichspannung 750 V und Wechslspannung 15 kV, Elektrische Bahnen 90 (1992) č. 4 str. 137-142 [3] Ludwig, D., Forcher, P., Schlitter, K., Himme, C.: Niederflur- und Zweisystem - Mittelflurfahrzeuge für S-Bahnnetz Karlsruhe, Elektrischr Bahnen 98 (2000) č. 4, str. 142-150 [4] Böhlke, J., Grauf, H.-H.: Die Zulassung des Verkehrs mit leichtn Nahverkehrstriebwaagem auf Strecke der Eisenbahnen des Bundes aus der Sicht der Ausichtsbehörde, ETR 43 (1993) č. 11, str. 725-730 [5] Danzer, J.:Některé problémy tyristorové regulace napětí na střídavých lokomotivách, Kandidátská práce Vysoká škola železniční, Žilina 1968 [6] Firemní prospekt Elektromechanika Úvaly [7] Firemní prospekt MEP Postřelmov

27.3.2006

- 68 -