Na schemacie przedstawiono rozruch silnika indukcyjnego metodą

Odp: obniżenia napięcia zasilającego

Styczniki są elementami służącymi do łączenia i rozłączania części obwodu, tak aby zmienić jego konfigurację. Rezystory są elementami pełniącymi dwie funkcje - pierwsza to obniżenie napięcia przy rozruchu, druga - wytracanie energii hamowania.

Układ napędowy trolejbusu służy do realizacji procesu przemieszczenia. Wymagania stawiane wobec niego to zapewnienie odpowiednich przyspieszeń rozruchu i hamowania oraz niezawodna praca. Mniej istotne, choć również ważne wymagania, to oszczędność energii, cicha praca i niska emisja wibracji. Podstawowymi elementami układu napędowego są silnik oraz układ przeniesienia napędu. Silnik przetwarza dostarczoną z sieci trakcyjnej energię elektryczną na energię ruchu obrotowego, zaś układ przeniesienia napędu doprowadza napęd do kół. Pomiędzy silnikiem a odbierakami prądu z sieci trakcyjnej występują urządzenia przetwarzające energię elektryczną, tak aby umożliwić poprawny rozruch i hamowanie trolejbusu. Pierwotnie zadanie to spełniały łączniki oraz oporniki, współcześnie stosowane są przekształtniki, stanowiące zaawansowane elementy sterowania.

Elementem, który ma największy wpływ na parametry układu napędowego jest silnik. Klasyfikację silników stosowanych w trolejbusach zaprezentowano poniżej.

Rys.1 Klasyfikacja silników stosowanych w trolejbusach

Najstarszymi maszynami elektrycznymi stosowanymi w trakcji elektrycznej były silniki szeregowe prądu stałego. Ich duży moment obrotowy i stosunkowo prosta budowa pozwoliły na uzyskanie niezawodnego napędu. Wykorzystywano je od początków rozwoju trolejbusów w latach 20-tych aż do lat 80-tych XX wieku. W międzyczasie podejmowano próby konstruowania silników szeregowo-bocznikowych, umożliwiających potencjalnie oszczędność energii oraz hamowanie odzyskowe. Oszczędności okazały się jednak niewielkie, a same silniki droższe w produkcji, i większość z firm produkujących trolejbusy zrezygnowała z ich stosowania na rzecz silników szeregowych. Mimo to, zostały one zastosowane w bazowej wersji popularnego radzieckiego trolejbusu ZIU 9, a także w polskim trolejbusie z KPNA Słupsk typu Jelcz PR110E.

Zupełne inne rozwiązanie techniczne stanowią silniki asynchroniczne prądu zmiennego. Charakteryzuje je prostsza niż silniki prądu stałego budowa oraz mniejsza masa przy tej samej mocy, dzięki czemu są tańsze w eksploatacji. Do ich sterowania potrzebne były jednak zaawansowane przekształtniki. Pierwsze takie urządzenia dla trakcji trolejbusowej zbudowano pod koniec lat 70-tych, i od tamtej pory zaczęły się one upowszechniać, wypierając z rynku rozwiązania z silnikami szeregowymi prądu stałego.

Silniki synchroniczne, z magnesami trwałymi w wirniku to konstrukcje godne uwagi z racji na niską masę i objętość w stosunku do osiąganej mocy. Możliwe jest ich zamocowanie w piastach kół, co znacząco zmniejsza gabaryty całego układu napędowego. Barierą w ich powszechnym zastosowaniu jest jednak wysoka cena. O ile więc większość europejskich producentów decyduje się na stosowanie silników asynchronicznych (Skoda, Solaris, Hess) to niektórzy oferują trolejbusy z silnikami synchronicznymi (Irisbus Cristalis).

PODSTAWOWE ELEMENTY OBWODÓW GŁÓWNYCH TROLEJBUSÓW:

Symbol graficzny	Symbol literowy	Nazwa	Właściwości
	S	stycznik	Jest to element pełniący rolę wyłącznika dla danej części obwodu. Stycznik moze być włączony (zwarty) lub wyłączony (rozwarty).
	R	rezystor (opornik)	Element przewodzący posiadający duży opór, służący do wytracania energii i obniżania napięcia. Opór w elektryce to przeciwstawianie się przepływowi prądu.
	L	cewka indukcyjna	Zwinięty w walcowaty kształt przewodnik, służący do wytwarzania pola magnetycznego. Z cewek składa się uzwojenie stojana (części nieruchomej) silników prądu stałego i zmiennego.
	D	dioda	Element półprzewodnikowy, dwukońcówkowy. Dioda dla jednego kierunku przepływu prądu jest przewodnikiem, zaś dla przeciwnego - izolatorem. Dioda jest więc elementem umożliwającym przepływ prądu tylko w jedną stronę, zgodnie ze swoją polaryzacją.
	Tr	tyrystor	Sterowany element półprzewodnikowy. Tyrystor może przewodzić prąd lub blokować jego przepływ. Uruchomienie tyrystora, czyli rozpoczęcie przewodzenia, jest możliwe za pomocą podania dodatniego impulsu elektrycznego na bramkę.
	T	tranzystor	Sterowany element półprzewodnikowy. Tranzystor może przewodzić prąd lub blokować jego przepływ. Uruchomienie tranzystora, czyli rozpoczęcie przewodzenia, jest możliwe za pomocą podania dodatniego impulsu elektrycznego na bramkę. Wyłączenie tranzystora realizowane jest za pomocą podania ujemnego impulsu. Tranzystory cechuje wyższa dopuszczalna częstotliwość pracy niż tyrystory, większa sprawność oraz niższa masa dla całego układu sterowania opartego na tranzystorach.
	S	silnik prądu stałego	Maszyna elektryczna przetwarzająca energię elektryczną na energię mechaniczną, zasilana prądem stałym. Symbol oznacza wirnik z komutatorem.
	M 3~	silnik asynchroniczny trójfazowy	Maszyna elektryczna przetwarzająca energię elektryczną na energię mechaniczną, zasilana trójfazowym prądem zmiennym.

Tab.1 Podstawowe elementy obwodów głównych trolejbusów

UKŁADY STEROWANIA

Kwestią decydującą o charakterystyce i osiągach trolejbusu jest zastosowane w nim sterowanie. Opisane zostaną 3 rodzaje układów sterowania trolejbusów:

Układ oporowo-stycznikowy z silnikiem prądu stałego
Układ impulsowy z przerywaczem (chopperem) i silnikiem prądu stałego
Układ z falownikiem i silnikiem prądu zmiennego

Godnym uwagi jest fakt, iż tylko trzeci układ jest stosowany we współczesnych pojazdach trakcji elektrycznej.

1. Układ oporowo-stycznikowy z silnikiem prądu stałego

Układ ten steruje pracą silnika prądu stałego za pomocą łączenia stycznikami oporników w odpowiednią kombinację. Generalna zasada jest taka, iż na początku rozruchu włączona jest duża ilość oporników, później zaś, w miarę wzrostu prędkości pojazdu, są one stopniowo odłączane, aż do przejścia na zasilane bezpośrednie z sieci. Największą wadą tego sterowania jest występowanie strat mocy w opornikach.

Rys.2 Schemat blokowy układu oporowo-stycznikowego

Na powyższym schemacie przedstawiono podstawowe elementy układu. Prąd poprzez odbierak połączony z przewodem dodatnim płynie przewodami do filtru sieciowego, zmniejszającego wahania napięcia zasilającego. Pomimo znamionowej wartości napięcia równej 600 voltów, w sieci zasilającej występują jego znaczne odchylenia, nawet +/- 150 V. Napięcie może ulegać nagłym spadkom, gdy na danym odcinku zasilającym rusza kilka trolejbusów jednocześnie. Filtr sieciowy chroni przed negatywnym wpływem tych zjawisk. Następnym elementem na drodze prądu są styczniki i oporniki (rezystory). Styczniki są elementami służącymi do łączenia i rozłączania części obwodu, tak aby zmienić jego konfigurację. Rezystory są elementami pełniącymi dwie funkcje - pierwsza to obniżenie napięcia przy rozruchu, druga - wytracanie energii hamowania. Po przejściu przez układ złożony ze styczników i oporników prąd trafia do silnika i zasila jego uzwojenia, a następnie wraca przewodem ujemnym przez odbierak do drugiego przewodu sieci trakcyjnej. Urządzenia sterujące pośredniczą pomiędzy pedałami sterowniczymi i przyciskami w kabinie kierowcy a układem styczników i oporników.

Rys.3 Schemat ogólny trolebusu ze sterowaniem oporowo-stycznikowym

1- przetwornica, 2- oporniki rozruchowe, 3- odbieraki prądu, 4- PSR (przekaźnik samoczynnego rozruchu), 5- SET (elektryczny sterownik rozruchu), 6- styczniki, 7- silnik, 8- wał napędowy, 9- most napędowy

Najczęściej stosowany w tym układzie jest silnik szeregowy. Przez tą nazwę rozumie się silnik zasilany prądem stałym o szeregowym połączeniu uzwojenia i wirnika. Rys. 2 przedstawia silnik w ujęciu modelowym. Silnik elektryczny składa się z części nieruchomej - stojana (5 i 6) - i ruchomej - wirnika (8) połączonego z komutatorem (3). Stojan stanowi uzwojenie silnika, które jest wykorzystywane do wytworzenia pola magnetycznego (7), zwanego też polem wzbudzenia. Wirnik o kształcie ramki jest umieszczony w polu magnetycznym stojana. Do zacisków wirnika jest doprowadzany poprzez komutator prąd stały. Komutator (3) to wielosegmentowy pierścień, do którego są dociśnięte szczotki węglowe (2). Służy on do zmiany zwrotu natężenia prądu w wirniku po wykonaniu przez niego obrotu, co umożliwia kontynuację ruchu obrotowego. Dzieje się to za sprawą podłączenia dodatniego źródła zasilania z drugim segmentem komutatora. Gdyby nie było komutatora, wirnik zatrzymałby się w pozycji pionowej. Wirnik jest przewodnikiem z płynącym prądem (4), umieszczonym w polu magnetycznym, stąd też działa na niego siła elektrodynamiczna (10), wytwarzająca moment obrotowy i powodująca jego obrót (9). Ruch wirnika jest wyprowadzany na wał napędowy, który napędza most napędowy, a w rezultacie koła trolejbusu.

Rys.4 Silnik prądu stałego - schemat ideowy

1- kierunek prądu, 2- szczotka węglowa, 3- komutator, 4- kierunek prądu w wirniku, 5- biegun północny pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie, 6- biegun południowy pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie, 7- linie pola magnetycznego, 8- wirnik, 9- kierunek obrotu wirnika, 10- siła elektrodynamiczna

Rys. 4 przedstawia silnik prądu stałego jedynie modelowo. W praktyce wirnik to kilkadziesiąt ramek, umieszczonych współosiowo. Są one mocowane do wielosegmentowego komutatora, przy czym każdy segment zasila jedną ramkę. Uzwojenie stojana wykonuje się ze zwiniętych w pęk cienkich przewodów miedzianych. Całość mocuje się w obudowie, zapewniającej izolację elektryczną od otoczenia.

Moc uzyskiwana z silnika elektrycznego jest ograniczona przez jego nagrzewanie się. Bezpośrednim skutkiem przepływu prądu przez przewodnik jest wytwarzanie się ciepła, którego ilość zależy od rezystancji (oporu) przewodnika. Wzrost temperatury silnika wynika więc ze strat energii w rezystancji elementów przewodzących. Od natężenia prądu przepływającego przez uzwojenia silnika będzie też zależał stopień jego nagrzewania się.

Rys.5 Ogólny schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem oporowo-stycznikowym

SL- stycznik liniowy, S1, S2, S3- styczniki rozruchowe, R1, R2, R3- oporniki rozruchowe, L- uzwojenie stojana,
S- wirnik z komutatorem

Rozróżnia się wartości chwilowe i znamionowe natężenia. Wartości znamionowe natężenia to takie, do których silnik jest przeznaczony i przy których może pracować bez przerwy, nie ryzykując uszkodzenia uzwojeń. Wartości chwilowe to takie, które występują tylko przez krótki okres pracy (np. rozruch). Analogiczna sytuacja dotyczy prądu, napięcia i mocy. Moc chwilowa silnika prądu stałego przy rozruchu przekracza wartość znamionową nawet dwukrotnie. Sprawia to, iż silnik elektryczny jest szczególnie dobrze dostosowany do pracy przy dużych obciążeniach (np. przy pokonywaniu wzniesień).

Rys.6 Schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem oporowo-stycznikowym w trakcie rozruchu. Na szaro oznaczono elementy układu wykorzystywane podczas hamowania

Prąd płynie od przewodu dodatniego przez odbierak, następnie przepływa przez rezystory (R1-R3) i uzwojenie stojana (L) - wytwarzające pole magnetyczne, a później przez wirnik, w którym za sprawą oddziaływania na niego pola magnetycznego stojana powstaje moment obrotowy. Prąd płynie następnie do odbieraka i do przewodu ujemnego sieci trakcyjnej

Najistotniejszym procesem dotyczącym silnika elektrycznego jest jego rozruch. Gdyby podłączyć silnik od razu do napięcia sieci (napięcia znamionowego, 600V), popłynąłby prąd o natężeniu kilkukrotnie przekraczającym wartość dopuszczalną, co skutkowałoby uszkodzeniem uzwojeń. Rozruch silnika elektrycznego wiąże się więc z koniecznością obniżenia wartości doprowadzonego napięcia.

Najprostszym technologicznie rozwiązaniem jest zastosowanie oporników rozruchowych (Fot.1). Oporniki włącza się do obwodu silnika szeregowo, co stwarza duży opór dla przepływu prądu. Pozwala to na obniżenie napięcia na zaciskach twornika, kosztem mocy utraconej na wytwarzających ciepło opornikach. Podczas załączania następnych stopni rozruchu, kolejne oporniki są bocznikowane przez styczniki (przepływający prąd 'omija' oporniki), dzięki czemu opór w obwodzie maleje, a napięcie wzrasta. Prędkość obrotowa wirnika wzrasta. Przez kolejne stopnie dochodzi się aż do pozycji bezoporowej, w której wszystkie oporniki są odłączone, a silnik pracuje pod napięciem znamionowym. Dalszy wzrost prędkości obrotowej silnika jest możliwy przez zmniejszenie pola wzbudzenia (zmniejszenie wartości natężenia pola magnetycznego, wytwarzanego przez uzwojenie silnika), co realizuje się przez bocznikowanie uzwojenia.

Fot.1 Oporowy układ rozruchowy w trolejbusie PR110E - widok na komorę styczników

1 - styczniki wielkoprądowe (powyżej 200A), 2- bezpieczniki ogrzewania, silnikow pomocniczych i wzbudzenia bocznikowego silnika trakcyjnego, 3- styczniki małoprądowe obwodów 600V, do obwodów ogrzewania, silników pomocniczych i wzbudzenia bocznikowego silnika trakcyjnego, 4- uniesiona klapa komory styczników, 5 i 6 - ST1 i ST2 - styczniki liniowe załączające silnik trakcyjny, 7 - PSR (przekaźnik samoczynnego rozruchu), 8 - PZU (przekaźnik zanikowo napięciowy)

Na poniższej ilustracji przedstawiono obwód, w którym przepływa prąd w trakcie hamowania elektrodynamicznego trolejbusu.

Rys.7 Schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem oporowo-stycznikowym w trakcie hamowania. Na szaro oznaczono elementy układu wykorzystywane podczas rozruchu

Prąd płynie przez wirnik w kierunku przeciwnym niż dla rozruchu, za sprawą zamiany przewodów wejściowych i wyjściowych z wirnika za pomocą styczników nawracających (SN), następnie przepływa przez rezystor hamowania (RH), zamknięty stycznik hamowania (SH) i uzwojenie stojana. Ponieważ kierunek pola magnetycznego jest przeciwny do kierunku przepływu prądu przez wirnik w trakcie rozruchu, powstaje ujemny moment obrotowy i silnik zaczyna hamować

W wypadku tego układu występuje konieczność stosowania ciężkich, wielkogabarytowych oporników i dużej ilości przekaźników oraz łączników. Dodatkowo, w trakcie rozruchu powstają na opornikach straty mocy, proporcjonalne do kwadratu natężenia przepływającego przez nie prądu pomnożonego przez wartość oporu. Straty te bezpośrednio przekładają się na zużycie prądu. Stąd też w miarę postępu technologicznego dążono do rozwiązań, które umożliwiłyby obniżenie napięcia bez konieczności stosowania oporników. Sterowanie opornikowe występuje w trolejbusach takich jak Skoda 8Tr, ZIU 9, Jelcz PR110E (ten posiada jednak nieco inne rozwiązania sterowania z racji na silnik szeregowo-bocznikowy).

Fot.2 Jelcze PR110E (#761 i #748 MPK Lublin) - trolejbusy ze sterowaniem opornikowym

2. Układ impulsowy z przerywaczem i silnikiem prądu stałego

Układ ten steruje pracą silnika prądu stałego za pomocą przerywacza prądu (choppera) zbudowanego z tranzystorów lub tyrystorów. Przerywacz umieszcza się na przewodzie prowadzącym do silnika. W trakcie pracy przerywacz zamyka się na krótko, zwierając obwód i przewodząc prąd, po czym otwiera, blokując przepływ. Ta prosta sekwencja pozwala na obniżenie napięcia. Im dłużej trwa zamknięcie przerywacza w stosunku do otwarcia, tym większe napięcie będzie doprowadzone do silnika.

Na początku rozruchu przerywacz przewodzi prąd przez krótką część okresu impulsowania (okres ten to suma czasu zamknięcia o otwarcia przerywacza), później zaś czas przewodzenia wzrasta aż do pełnego przewodzenia (przerywacz nie jest wyłączany i prąd w obwodzie płynie cały czas). Układ ten realizuje rozruch bez strat mocy na opornikach.

Rys.8 Ogólny schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem impulsowym

SL - stycznik liniowy, T1 - tyrystor, L - uzwojenie stojana, S - wirnik silnika z komutatorem, D - dioda, Ld - dławik

Rozruch impulsowy realizuje się za pomocą zastosowania w układzie rozruchowym przerywacza (na Rys.8 jego funkcję pełni tyrystor T1), który zmniejsza wartość napięcia doprowadzonego do silnika (S). Przerywacz jest cyklicznie włączany i wyłączany, z częstotliwością rzędu kilkuset herzów. Po zamknięciu przerywacza (T1) przez krótki czas silnik (L i S) zasilany jest bezpośrednio z sieci zasilającej. Natężenie przepływu prądu zaczyna narastać. Po chwili przerywacz jest otwierany, silnik jest odłączany od sieci zasilającej, a przepływ napięcia w silniku jest podtrzymywany przez diodę (D). Później przerywacz jest ponownie zamykany i sekwencja realizuje się od nowa. W rezultacie, na silniku występuje obniżone napięcie. Jego wielkość zależy od tego, jak długi był czas zamknięcia przerywacza w stosunku do czasu otwarcia (czyli czasu w którym przewodził prąd do czasu w którym nie przewodził prądu).

Działanie przerywacza ilustrują poniższe wykresy.

Rys.9 Wykres napięcia na przerywaczu

Na zielono oznaczono napięcie na przerywaczu. tz to czas, w którym przerywacz był zamknięty i przewodził prąd. to to czas, w którym przerywacz był otwarty i nie przewodził prądu.T to czas impulsowania, czyli odstęp czasowy pomiędzy kolejnymi impulsami zamykającymi przerywacz. Dla długiego okresu czasu wartość średnia napięcia będzie dla tz=to równe połowie napięcia sieci. Wartość średnią napięcia oznaczono jako U sr.

Rys.10 Wykres prądu na silniku

Oznaczenia tz i to mają taknie znaczenie, jak dla Rys.9. W trakcie czasu zamknięcia przerywacza prąd narasta (czarna linia), a podczas czasu otwarcia - przepływa przez diodę silnika i stopniowo maleje. Wartość średnią prądu na silniku oznaczono szarą linią przerywaną.

Podstawową zaletą sterowania impulsowego jest brak rezystorów, co umożliwia rozruch bez strat mocy. Rozpędzanie się w systemie z przerywaczem jest jednocześnie płynniejsze (nie występują szarpnięcia przy wyłączaniu rezystorów z obwodu). Zakres regulacji wartości przyspieszeń jest znacznie szerszy. Początkowo stosowane były tyrystory klasyczne SCR, jednakże ich wyłączanie było utrudnione, wymagało bowiem skomplikowanych układów komutacyjnych i zamontowania specjalnych tyrystorów załączających. Dalszy rozwój technologii pozwolił na wykorzystanie tyrystorów GTO (Gate Turn-Off - tyrystory wyłączane prądem bramki - w ich wypadku podanie impulsu dodatniego na bramkę uruchamiało tyrystor - rozpoczynało przewodzenie, zaś podanie impulsu ujemnego - wyłączało tyrystor). Układy z tymi tyrystorami były lżejsze niż wcześniej stosowane. Dalszy rozwój energoelektryki umożliwił stosowanie tranzystorów dużej mocy. Są to tranzystory z izolowaną bramką (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor). Układy z tymi tranzystorami charakteryzuje najmniejsza masa, jednocześnie występują mniejsze straty łączeniowe, a także dopuszczalne są wyższe częstotliwości pracy.

Rys.11 Schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem impulsowym w trakcie rozruchu. Na szaro oznaczono elementy układu wykorzystywane podczas hamowania

Prąd płynie przez tyrystor (T1), uzwojenie stojana (L) wytwarzające pole magnetyczne, a później przez wirnik z komutarorem (S), w którym za sprawą oddziaływania na niego pola magnetycznego stojana powstaje moment obrotowy. Zasada działania układu jest więc zbliżona do sterowania oporowo-stycznikowego, przy czym główną różnicą jest sposób obniżania napięcia. Po przejściu przez wirnik prąd płynie przez dławik (Ld) do odbieraka i do przewodu ujemnego sieci trakcyjnej. Podczas otwarcia przerywacza (odłączenia układu od sieci zasilającej) prąd płynie w układzie uzwojenie stojana (L), wirnik z komutatorem (S), diodę (D) i dławik (Ld). Rolą dławika (Ld) jest wygładzanie napięcia podawanego na silnik.

Rys.12 Schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem impulsowym w trakcie hamowania. Na szaro oznaczono elementy układu wykorzystywane podczas rozruchu

Fot.3 Jelcz 120MT (#804 MPK Lublin) - trolejbus ze sterowaniem impulsowym opartym na tyrystorach klasycznych

Pierwszy trolejbus z chopperem wprowadzono do eksploatacji w Szwajcarii w 1968 roku. Impulsowy układ rozruchowy zastosowano m.in. w typach takich jak: Jelcz PR110T (tyrystory klasyczne), Mercedes O405GTD (tyrystory GTO), Jelcz 120MTE (tranzystory IGBT), Solaris Trollino 12T (tranzystory IGBT), Jelcz M121E (tranzystory IGBT).

Rys.13 Ogólny schemat obwodu głównego trolejbusu ze sterowaniem impulsowym opartym na tranzystorach IGBT - widoczna analogia do układu z tyrystorami

3. Układ z falownikiem i silnikiem prądu zmiennego

Rys.14 Schemat ogólny trolebusu ze sterowaniem falownikowym

1- skrzynia dachowa z falownikiem i przetwornicą statyczną, 2- odbieraki prądu, 3- opornik hamowania, 4- sprężarka śrubowa, 5- portalowy most napędowy, 6- wał napędowy, 7- silnik asynchroniczny

Rozwój technologii półprzewodników oraz mikroelektroniki pozwolił na zbudowanie napędu z silnikami asynchronicznymi prądu zmiennego. Silnik asynchroniczny charakteryzuje się prostą budową, niezawodnością, łatwością produkcji i niewielką masą. Przy około 30% mniejszej masie otrzymuje się z niego taką samą moc, jak z analogicznego silnika prądu stałego. Dodatkowo, silnik asynchroniczny nie posiada komutatora ani zużywających się szczotek węglowych, przez co jego eksploatacja jest bezobsługowa. Te cechy zadecydowały o wprowadzeniu silników asynchronicznych do napędów pojazdów trakcji elektrycznej.

Silnik asynchroniczny to maszyna prądu zmiennego. W trakcji elektrycznej stosuje się silniki trójfazowe, czyli posiadające trzy fazy uzwojeń stojana. Rolą tych trzech faz uzwojeń jest wytworzenie wirującego kołowo pola magnetycznego. Wirnik w silnikach asynchronicznych nie jest bezpośrednio zasilany. Tworzy on jednak zamknięty obwód (Rys.15), a napięcie w nim jest indukowane poprzez wirujące pole magnetyczne. Stąd też silniki asynchroniczne nazywa się silnikami indukcyjnymi. Wirnik obraca się z prędkością mniejszą niż prędkość synchroniczna wirującego pola (z pewnym tzw. poślizgiem), stąd też wynika nazwa - asynchroniczny.

Rys.15 Wirnik silnika asynchronicznego

1- pierścień zwierający pręty, 2- pręty aluminiowe

Podstawowe elementy silnika asynchronicznego to stojan, obudowa oraz wirnik w kształcie klatki, przedstawiony na Rys.15. Silnik przedstawiono na Rys. 16. Stojan (nr 8) składa się z trzech części, do każdej z nich jest podłączony jeden z trzech przewodów fazowych (3, 6). W przewodach uzwojenia stojana przepływa prąd o zmiennym przebiegu napięcia, który wytwarza zmienne pole magnetyczne (7). Pole to obraca się z tak zwaną prędkością synchroniczną. Linie sił pola przecinają pręty wirnika (2), wytwarzając w nim siłę elektromotoryczną, ta zaś z kolei wymusza przepływ ładunku w prętach. Pole magnetyczne uzwojenia zaczyna oddziaływać z polem elektrycznym wirnika i powstaje moment obrotowy (8). Wirnik obraca się prędkością mniejszą niż pole magnetyczne, gdyż inaczej pole nie byłoby zmienne w stosunku do prętów wirnika i doszłoby do zaniku momentu obrotowego. Tą różnicę prędkości nazywa się poślizgiem, z czego też wynika nazwa silnika: asynchroniczny. Prędkość obrotową silnika asynchronicznego można regulować poprzez zmianę amplitudy napięcia zasilającego i częstotliwości prądu w uzwojeniu stojana.

Rys.16 Przekrój silnika asynchronicznego

1- faza uzwojenia - dwa przewody leżące naprzeciw tworzą fazę, 2- wirnik, 3- przewód, + oznacza prąd płynący w kierunku od patrzącego, 4- stojan, 5- biegun południowy pola magnetycznego wytworzonego przez przepływający w uzwojeniach prąd, 6- przewód, kropka oznacza prąd płynący w kierunku ku patrzącemu, 7- linie sił pola magnetycznego, wytwarzanego przez uzwojenie, 8- moment siły elektrodynamicznej, działający na pręty wirnika, 9- biegun północny pola magnetycznego, 10- kierunek obrotu wirującego pola magnetycznego

Standardowym systemem zasilania w elektrycznym transporcie miejskim jest 600V prądu stałego, dlatego dla zastosowania silników prądu zmiennego niezbędnym jest wykorzystanie urządzenia, przekształcającego prąd stały na prąd zmienny - falownika. Współczesne trójfazowe falowniki, sterowane mikroprocesorowo, pozwalają na uzyskanie na wyjściu napięcia o regulowanej amplitudzie i częstotliwości.

Rys.17 Ogólny schemat falownika trolejbusu ze sterowaniem falownikowym

Tranzystory T1-T6 służą do odpowiedniego kształtowania przebiegu prądów i napięć w uzwojeniach stojana, co ma na celu wytworzenie wirującego pola magnetycznego. Ich sterowanie jest skomplikowane i wymaga złożonych sterowników obsługujących złożone tryby modulacji. Opanowanie technologii sterowania pracą falownika wymagało wiele czasu, stąd też pomimo pierwszych prób pod koniec lat 70-tych XX wieku napędy asynchroniczne stały się standardem dopiero w latach 90-tych XX wieku.

Przekształtnik energii może być umieszczony na dachu, z czego często korzystają producenci pojazdów, zwiększając obszar niskiej podłogi. Podstawowe zalety napędu asynchronicznego to cicha praca, płynny rozruch i hamowanie, skuteczne hamowanie silnikiem, a także możliwość odzysku energii hamowania, która może być zwrócona do sieci zasilającej.

Fot.4 Solaris Trollino 12AC (#3033 PKT Gdynia) - trolejbus ze sterowaniem falownikowym

Sterowanie falownikowe występuje w trolejbusach typów: Solaris Trollino 12AC, Solaris Trollino 12M, Skoda 21Tr, Neoplan N6216, Hess lighTram3. Polscy producenci falownikowych układów sterowania to Medcom, Enika i IEL w Międzylesiu.

http://www.lubus.info/index.php/artykuly/10-technika-trolejbusowa/87-uklady-napedowe-i-sterowania

Rozruch silników indukcyjnych

Rozruchem silnika indukcyjnego nazywa się stan pracy od chwili włączenia napięcia do osiągnięcia ustalonej prędkości obrotowej, określonej parametrami zasilania (napięciem i częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym).

      Rozruch silnika indukcyjnego jest możliwy tylko wtedy, gdy moment wytworzony przez silnik M jest większy od momentu obciążenia Mh.
      Istotne dla rozruchu silnika indukcyjnego są:
      - prąd rozruchowy Ir,
      - moment rozruchowy Mr,
      - czas rozruchu.

Wymagania co do ograniczenia zarówno prądu rozruchowego, jak i spadku napięcia w sieci, jak i przyrostów temperatury uzwojeń podczas rozruchu, a także zmniejszenia udaru mechanicznego w urządzeniu napędzanym łatwiej można spełnić, stosując silnik o wirniku pierścieniowym, niż silnik o wirniku klatkowym.

5.1. Rozruch bezpośredni - silnik z wirnikiem klatkowym

Praca silnika indukcyjnego podczas rozruchu ze zwartym uzwojeniem wirnika odpowiada stanowi zwarcia (Rys. 2).

Rys. 2. Schemat zastępczy silnika indukcyjnego w stanie zwarcia

Na podstawie schematu zastępczego silnika indukcyjnego w stanie zwarcia (s = 1) można określić:
- prąd rozruchowy Ir silnika indukcyjnego pobierany z sieci:

- prąd znamionowy IN silnika indukcyjnego pracującego w warunkach znamionowych.

Rys. 3. Rozruch bezpośredni silnika o wirniku klatkowym

Bezpośrednie włączenie do sieci na napięcie znamionowe jest najprostszym ale też najbardziej krytycznym stanem pracy silnika o wirniku klatkowym. Moment rozruchowy silnika jest niewielki, a występujące wielokrotne przekroczenie znamionowego prądu silnika w czasie rozruchu, jest przyczyną spadku napięcia w sieci (Rys. 3).

Prąd pobierany podczas rozruchu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika jest kilkakrotnie większy od prądu znamionowego: Ir = 5 ÷ 8IN oraz Mr = 0,5 ÷ 1,5 MN

      Dopuszczalna moc trójfazowych silników indukcyjnych o wirniku klatkowym , włączanych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej:
      a) przy włączeniu bezpośrednim:
      - do sieci o napięciu 127 V - 2,2 kW,
      - do sieci o napięciu 230 V - 4 kW,
      - do sieci o napięciu 400 V - 5,5 kW,
      b) przy włączeniu za pomocą przełącznika gwiazda - trójkąt:
      - do sieci o napięciu 127 V - 6 kW,
      - do sieci o napięciu 230 V - 12 kW,
      - do sieci o napięciu 400 V - 15 kW.

      Dopuszczalna moc jednofazowego silnika indukcyjnego włączanego bezpośrednio w sieci:
      - o napięciu 127 V - wynosi 0,5 kW,
      - o napięciu 230 V - wynosi 1,5 kW.

      Dopuszcza się spadek napięcia w sieci w chwili rozruchu silnika o wirniku klatkowym:
      - 5% - jeśli z transformatora są zasilane również źródła światła,
      - 10% - jeżeli rozruchy są częste i ciężkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł światła,
      - 15% - jeżeli rozruchy są sporadyczne i lekkie, a transformator nie zasila jednocześnie źródeł światła.

5.2. Rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt

Włączenie do sieci za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt może być stosowane tylko dla silników niskiego napięcia, w wykonaniu zgodnym z PN-EN 60034-12:2004, których uzwojenia fazowe stojana są połączone w trójkąt, przy napięciu znamionowym.

Rys. 4. Rozruch z przełącznikiem gwiazda-trójkąt

Przełącznik gwiazda-trójkąt ustawia się w pozycji "gwiazda", łącząc uzwojenia fazowe stojana w gwiazdę (Rys. 4). Prąd pobierany z sieci i elektromagnetyczny moment obrotowy będą co najmniej 3 razy mniejsze niż przy połączeniu w trójkąt. Natomiast prąd w uzwojeniach fazowych zmniejsza sie do ok. 57% wartości występującej przy połączeniu w trójkąt.

Gdy prędkość obrotowa w połączeniu w gwiazdę osiągnie wartość bliską znamionowej, może nastąpić przełączenie uzwojeń stojana w trójkąt.

5.3. Rozruch silnika pierścieniowego

Rys. 5. Rozruch silnika pierścieniowego

Rozruch silnika o wirniku pierścieniowym przeprowadza się za pomocą rozrusznika oporowego, włączonego w obwód uzwojenia wirnika (rys. 5). Zarówno silnik, jak i rozrusznik wyposażone są w styki pomocnicze blokady elektrycznej. Uniemożliwiają one włączenie silnika do sieci, jeśli przyrząd szczotkowy i pokrętło rozrusznika nie znajdują się w pozycji rozruchu początkowego.

Przed uruchomieniem silnika pokrętło rozrusznika należy ustawić na maksymalną rezystancję, a następnie w czasie rozruchu stopniowo zmniejszać, aż do bezpośredniego zwarcia pierścieni. Poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika uzyskuje się możliwość płynnej zmiany obrotów, przy stosunkowo dużych stratach energii elektrycznej na rezystorze regulacyjnym. Dla ograniczenia strat stosuje się połączenie silnika z siecią za pomocą specjalnego układu elektronicznego, który powoduje, że część strat jest oddawana do sieci zasilającej.

Podczas pracy silnika indukcyjnego może wystąpić zjawisko samorozruchu. Polega ono na tym, że w przypadku nawet krótkotrwałego zaniku napięcia lub znacznym jego obniżeniu, następuje zmniejszenie się prędkości obrotowej silnika - do zatrzymania włącznie. Jeżeli jednak czas trwania zaniku lub spadku napięcia jest krótszy od czasu potrzebnego do zatrzymania, to w określonych warunkach jest możliwe utrzymanie silnika w ruchu i , w miarę wzrostu napięcia, powrót do normalnego stanu pracy. .

5.4. Rozruch za pomocą autotransformatora

      Autotransformatory stosowane do rozruchu silników indukcyjnych posiadają nastawialną przekładnie napięciową nu.
      Rozruch silnika (Rys. 6) rozpoczyna się od nastawienia wartości napięcia odpowiadającej przyjętemu nieprzekraczalnemu prądowi rozruchowemu, po czym:
      - zamyka się wyłączniki W1 i W3, wyłącznik W2 zostaje otwarty,
      - następnie stopniowo podwyższa się napięcie zasilające silnik do wartości znamionowej,
      - po ustaleniu się prędkości silnika otwiera się wyłącznik W3, zamykając wyłącznik W2.

      Zależności wielkości podstawowych charakteryzujących pracę silnika po rozruchu za pomocą autotransformatora o przekładni nu, są następujące:
      - napięcie zasilające silnik Ur jest niższe od napięcia sieci U,
      - moment rozruchowy Mr jest nu2 razy mniejszy od momentu przy pełnym napięciu,
      - prąd rozruchowy Ir jest nu razy mniejszy od prądu płynącego w uzwojeniach silnika,
      - prąd pobierany z sieci, płynący w uzwojeniach pierwotnych autotransformatora, jest nu2 razy mniejszy od prądu płynącego podczas rozruchu bezpośredniego.

Rys. 6. Schemat połączenia silnika z autotransformatorem rozruchowym

Przy otwartych wyłącznikach W2 i W3 autotransformator rozruchowy AT jest włączony jako dławik szeregowy.

Rozruch za pomocą autotransformatora stosuje się w zasadzie do silników o mocy większej niż 500 kW.

5.5. Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana

Rozruch silnika indukcyjnego za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana stosuje się w celu zmniejszenia elektromagnetycznego momentu rozruchowego oraz ograniczenia prądu rozruchowego (Rys. 7). Włączenie rezystancji szeregowej powoduje obniżenie się napięcia podczas rozruchu. Ten sposób rozruchu, polegający na uzyskaniu niesymetrii układu napięć na zaciskach silnika, jest obecnie stosowany rzadko i tylko w silnikach małej mocy. W silnikach dużej mocy włącza sie w tym celu dławiki o odpowiednio dobranej reaktancji. Warunki rozruchowe za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana są mniej korzystne niż przy rozruchu za pomocą autotransformatora lub przełącznika gwiazda-trójkąt. Dodatkową rezystancję lub reaktancję zwiera się po osiągnięciu przez silnik stanu ustalonego przy obniżonym napięciu.

Rys . 7. Schemat połączeń silnika z dodatkowym rezystorem
rozruchowym Ra w jednym przewodzie fazowym
Oznaczenie:W2 - wyłącznik zwierający rezystor po rozruchu silnika

W tablicy 1. przedstawiono porównanie podanych wyżej sposobów rozruchu trójfazowych silników indukcyjnych.

Tablica 1. Porównanie różnych sposobów rozruchu silników indukcyjnych

5.6. Rozruch silników jednofazowych
Pulsujące pole magnetyczne (wytwarzane przez prąd uzwojenia jednofazowego) można rozłożyć na dwie składowe, wirujące w przeciwnych kierunkach (Rys. 8). Zatem silnik jednofazowy może być traktowany jak dwa silniki wielofazowe pracujące na wspólnym wale, których strumienie wirują w kierunkach przeciwnych.
Moment rozruchowy takiego silnika Mrozr = 0.

Rys. 8. Rozruch silników jednofazowych

Aby uzyskać moment rozruchowy silnika jednofazowego, konstrukcje tych silników wyposaża się w dodatkowe uzwojenia rozruchowe, połączone szeregowo z kondensatorami.

http://www.bezel.com.pl/index.php/maszyny-elektryczne/silniki-indukcyjne#rozruch

Metody rozruchu silników indukcyjnych

2013.09.02

W artykule zostaną opisane metody rozruchu silników indukcyjnych (rozruch bezpośredni, rozruch za pomocą przełącznika gwiazda trójkąt, rozruch przy pomocy softstartu i falownika) oraz ich wady i zalety.

Rozruch bezpośredni silnika indukcyjnego

Rozruchu bezpośredni polega na podłączeniu silnika do sieci zasilającej (na napięcie znamionowe przy częstotliwości znamionowej) poprzez włącznik lub stycznik elektromechaniczny. Po załączeniu zasilania, w początkowej fazie rozruchu przy nieruchomym jeszcze wirniku (poślizg silnika s=1) silnik pobiera duży prąd rozruchowy natomiast nie zwiększa się jego moment rozruchowy. Bardzo mały moment rozruchowy silnika powoduje, iż moment obciążenia przy prędkości równej zeru powinien być bardzo mały żeby nie powodować zatrzymania się silnika. Współczynnik krotności prądu rozruchowego zawiera się w przedziale: 4-8 dla silników indukcyjnych klatkowych, dla silników pierścieniowych 2x, natomiast początkowy moment rozruchowy może być mniejszy od początkowego. Nie zwiększa się wartość prądu rozruchowego a jedynie czas rozruchu. Powoduje to przegrzewanie się silnika oraz spadek napięcia linii zasilającej. Rozruch bezpośredni stosuje się do silników małej mocy (rzędu kilku, kilkunastu kW).

Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt

Przełącznik gwiazda-trójkąt można zastosować tylko do silników indukcyjnych, które mają wyprowadzone na tabliczkę zaciskową sześć końcówek uzwojenia stojana. Przy załączeniu zasilania do sieci silnik połączony jest w gwiazdę. Gdy ustali się prędkość obrotowa wirnika, uzwojenie stojana przełącza się w trójkąt. Należy dodać, że napięcie linii zasilającej powinno być takie same jak napięcie znamionowe uzwojenia stojana połączonego w trójkąt. Przy połączeniu w gwiazdę napięcie każdej fazy uzwojenia stojana jest o pierwiastek z 3 mniejsze niż napięcie znamionowe (podawane jest napięcie fazowe zamiast napięcie przewodowe). Prąd pobierany z linii zasilającej jest 3x mniejszy niż prąd jaki płynie w przypadku uzwojenia połączonego w trójkąt. Przełącznik gwiazda-trójkąt zmniejsza 3-krotnie prąd rozruchowy silnika ale niestety również zmniejsza 3-krotnie moment rozruchowy. Przełączniki gwiazda-trójkąt stosuje się do rozruchów lekkich (przy niewielkim obciążeniu).

Łagdony rozruch silnika przy pomocy Softstartu

Softstarty umożliwiają płynny rozruch i zatrzymanie silnika. Ograniczają do minimum obciążenia elektryczne i mechaniczne. Wpływają na żywotność silnika i jakość ich pracy. Jak zostało wspomniane, przy rozruchu bezpośrednim silników elektrycznych, mogą pobierać prąd wielokrotnie większy niż prąd znamionowy. Softstarty właśnie ograniczają udar prądowy w momencie rozruchu silników indukcyjnych. W softstartach jako elementy sterujące stosuje się tyrystory, które umożliwiają kontrolę i nastawę wielu parametrów tj. czas rozruchu czy kolejność faz. W chwili rozruchu softstart redukuje napięcie na zaciskach silnika a następnie zwiększa je do napięcia znamionowego ograniczając wartości szczytowe prądów oraz właśnie minimalizuje udar prądowy.

To co tutaj zostało wspomniane o softstartach to są tylko podstawowe parametry jakie posiadają. W zależności od producenta softstarty mają wiele więcej funkcji np. zabezpieczenie przed przeciążeniem silnika, wspomniane już zabezpieczenie przed zmianą kolejności faz, wejście dla czujnika temperatury, wyjścia alarmowe czy łączność RS-485 protokołem Modbus.

Rozuch silników indukcyjnych przy zastosowaniu falowników

Przy zastosowanu falowników (podobnie jak przy softstartach) możliwy jest łagodny rozruch silnika a co za tym idzie unikanie udarów prądowych i mechanicznych. Mimo, że zakup falownika wiąże się z większym wydatkiem niż softstart to falownik posiada większe możliwości. Oprócz już wspomnianych mozliwości, - falownik umożliwia płynne sterowanie prędkością obrotową silnika, zmianę kierunku obrotów silnika, programowalne wejścia/wyjścia falownika. Wymienione tu możliwości falowników sa jakby już podstawowymi parametrami każdego produkowanego falownika. Obecnie falowniki maja bardzo wiele zaawansowanych funkcji i możliwości i dzieki temu mają szerokie zastosowanie w ukłdach automatyki i sterowania.

https://www.falowniki24.info.pl/teoria/art-86.html

Źródło: www.kwalifikacjewzawodzie.pl

Kwalifikacja E07

Szukaj na tym blogu