ELEKTRICKÁ TRAKCE 2. STUPŇOVÉ ŘÍZENÍ SÉRIOVÉHO MOTORU

Transkript

1 7.3.6 ETR.oc Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru Obsah Doc. Ing. Jiří Danzer CSc. ELEKTRICKÁ TRAKCE. STUPŇOVÉ ŘÍZENÍ SÉRIOVÉHO MOTORU. vyání Obsah 1 Sériový motor Uspořáání a záklaní vlastnosti Omezení komutátorem Konstrukce Náhraní schéma Magnetizační charakteristika a reakce kotvy Náhraní schéma, charakteristiky Šentování Ztráty Oteplení a chlazení Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení....1 Řízení přeřanými opory.... Změna směru točení a šentování Skupinové řazení Ztráty při rozjezu Tramvajová brza Ochrany v trakčním obvou Stejnosměrná vozila se stupňovým řízením Stejnosměrný motor na stříavých vozilech Celkové uspořáání Transformátor a napájecí síť Usměrnění a vyhlazení Trakční motory Charakteristiky Cize buzená oporová brza Zapojení a vlastnosti Oporníky

2 Obsah 8 Prouy vyvolané remanencí Stříavá vozila se stupňovým řízením Ostatní trakční přístroje a ochrany Příkla trakčních obvoů realizované lokomotivy Literatura

3 1. Sériový motor 1 SÉRIOVÝ MOTOR Stejnosměrný sériový motor je klasickým trakčním motorem a pro trakční účely byl využíván prakticky výlučně až o zaveení měničové techniky, která umožnila plynulou regulaci cize buzeného stejnosměrného motoru a pozěji i kmitočtové řízení asynchronních a synchronních motorů. 1.1 USPOŘÁDÁNÍ A ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI Stejnosměrný stroj je při napájení stejnosměrným prouem ieálním zrojem momentu s jasně oěleným obvoem pro řízení prouu v kotvě a v buzení, bez zvlnění momentu a s možností osáhnout značného momentového přetížení v kliu (i kyž jen po omezenou obu). Sériový motor je vzhleem ke své měkké otáčkové charakteristice jeiný motor, který lze celkem bez problémů říit stupňovitou změnou napětí. Může být napájen stejnosměrným prouem nebo stejnosměrným zvlněným prouem (stříavá vozila s usměrňovačem). Pro tyto své vlastnosti byl sérový motor používán i s napájením stříavým prouem na vozilech pro systém 15 kv, 16 / 3 Hz pře hromaným zaveením polovoičových usměrňovačů. Protože k jeho použití u nás neošlo a v zemích, ke byl využíván se už tyto motory pro nová vozila ávno nepoužívají zmíníme se o něm pouze letmo. Zapojení je na Obr. 1. Motory byly vžy kompenzované, vinutí hlavních pólů bylo trvale zašentováno (opor R s ) a ále se nešentovalo. Důvoem bylo vytvořit vhoné fázové poměry mezi prouy 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 prouy). Přesto byla jejich komutace zvláště při rozjezu poměrně špatná. Obr. 1 Zapojení sériového motoru pro napájení stříavým napětím (str_mot.wg) Stator těchto motorů byl plně lištěný a všechna vinutí byla uložena v rážkách, jak je schematicky naznačeno na Obr.. Obr. Schematické uspořáání vinutí na statoru (str_mot.wg) - 3 -

4 1.1.1 OMEZENÍ KOMUTÁTOREM Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor Neostatky stejnosměrného motoru vyplývají přeevším z vlastností komutátoru jako mechanického stříače, synchronizovaného s otáčením rotoru tak, aby vektory prouu kotvy a magnetického toku v buzení byly navzájem kolmé - řečeno v moerních pojmech. Omezení z hleiska komutátoru se týkají zejména omezení oby zatížení v kliu, ky jeho nerovnoměrným ohřevem (ohřev pouze lamel, na nichž stojí kartáče) může ojít k eformaci (ovalitě) komutátoru a násleně ke zhoršení komutace, opotřebení kartáčů at., omezení maximálních otáček resp. obvoové rychlosti komutátoru vzhleem k jeho složité konstrukci (a ovšem i vinutí kotvy), ostřeivé síly mohou (napříkla při přeotáčkách při prokluzu) způsobit průhyb lamel, uvolnění a vysunutí mezilamelové izolace at., omezení napětí stroje velikostí lamelového napětí, které ještě zaručí přijatelnou komutaci stroje (napětí stroje se rozloží na počet lamel, které se nacházejí mezi souseními saami kartáčů rozílné polarity, a to obecně nerovnoměrně); pro čtyřpólové stroje je tak napětí omezeno na asi 15 V, zároveň je omezen i rozsah možného obuzení (které zhoršuje rozělení lamelového napětí), omezení oteplení kotvy a protože pro všechny tříy izolace vinutí platí přirozeně stejné oteplení komutátoru; komutátor může být ohříván i vinutím, takže nelze nejvyšší izolační tříy oteplení vlastně využít, komutátor a sběrací ústrojí přestavuje neizolované části po napětím, vystavené všem vlivům prostřeí, přeevším možným nečistotám, voě, sněhu v chlaicím vzuchu, komutátor a přeevším sběrací ústrojí (kartáče) vyžaují pravielnou a poměrně častou kontrolu a úržbu v provozu. Komutace sama je ěj, který je ovlivněn mnoha faktory. Za jinak stejných okolností (napětí, prou, otáčky) závisí významně na ruhu kartáčů. Jejich optimální volba je věcí louhoobé zkušenosti. Komutace závisí také na povrchové vrstvě komutátoru, která se vytvoří při průtoku prouu přes kartáče. Poku se tato vrstva ostraní (při přetočení nebo při elším chou motoru bez prouu při tažení vozila na větší vzálenosti) bue stroj až o jejího obnovení komutovat hůře. Pro opravu se proto něky kartáče neosazují nebo zajistí ve zvenuté poloze. O empirické povaze mnoha jevů spojených s komutací svěčí zřetelně i fakt, že jakost komutace se přes usilovné hleání objektivních meto stanoví oborným pohleem na komutátor za chou. Provozní pomínky trakčních strojů jsou obecně velmi náročné a vyznačují se přeevším velkou proměnlivostí zatížení s pravielným a často značným přetěžováním (při rozjezech), což vee ke značným změnám teploty vinutí, jeho ilataci a namáhání přeevším izolace kotvy, která je navíc namáhána i vibracemi a rázy při jízě. Při tom kritickou veličinu, teplotu kotvy nelze spolehlivě za provozu měřit. Zatěžování (a přetěžování) motoru v provozu proto závisí pouze na zkušenosti strojveoucích KONSTRUKCE Hlavní části motoru jsou kostra statoru, zpravila z lité oceli, která vee stejnosměrný (buicí) magnetický tok; při rychlých změnách toku (při přechoných jevech) se ovšem mohou uplatnit vířivé prouy; zároveň se motor za jízy povrchem částečně chlaí, což je efekt, který se při měření na zkušebně neuplatní, - 4 -

5 1. Sériový motor hlavní póly mohou být také masivní nebo z výrobních ůvoů i lištěné; nesou buicí vinutí, jehož ztráty se ováí jak vzuchem tak i o kostry; pólové nástavce jsou vžy lištěné s ohleem na omezení povrchových ztrát v ůsleku kolísání magnetického sycení mezi pólovým nástavcem a kotvou v ůsleku rážkování kotvy a přípaně i nástavce (kompenzační vinutí), pomocné komutační póly bývají masivní a kromě vzuchové mezery mezi čelem a kotvou mívají i alší nastavitelnou vzuchovou mezeru u jha, kterou se na zkušebně nastaví optimální komutace stroje, kotva je nejnamáhanější částí stroje, je namáhána mechanicky, tepelně i elektricky, je vžy lištěná, protože v jejím vinutí protéká stříavý, přibližně lichoběžníkový (harmonické!) prou s kmitočtem komutátor a sběrací ústrojí (viz výše), pn f =, 6 ložiska, vžy valivá, mazaná tukem s výpočtovou životností alespoň 1 ho. při namáhání otřesy a přípaně i zubovými silami z převou, přenos momentu (kloubový hříel, spojky různého typu, tlapové zavěšení aj. viz ETR 1.). Sériový motor má v sérii s kotvou a vinutím pomocných pólů a přípaně kompenzace zapojeno i vinutí buicí. Poslení je vžy vyveeno zvlášť pro změnu směru točení a šentování. Kompaunní stroje se užívaly říve a spíše výjimečně, o cize buzených bue pojenáno v ETR 3. Typické uspořáání trakčního motoru pro lokomotivy je na Obr. 3 a Obr. 4. Obr. 3 Poélný řez trakčního motoru Al4446 pro stříavé lokomotivy s vysokonapěťovou regulací pro ČSD, 75V, 71 kw, max. 181 ot/min., upevněný v rámu povozku, přenos momentu kloubovým hříelem, obře je patrné proveení pohonu s kloubovým hříelem (al4446.bmp) - 5 -

6 1. Sériový motor Obr. 4 Příčný řez stejnosměrného sériového trakčního motoru ŠKODA Al 4446iP (al4446.bmp) NÁHRADNÍ SCHÉMA Náhraní schéma motoru je na Obr. 5 v různých stupních zjenoušení. Uveená označení bueme naále používat. K uveeným prvkům náhraního schématu poznamenejme všechny opory se mění s teplotou asi o,4%/k, což je při značném kolísání teploty stroje významné (pro minimální teplotu okolí -3 C a maxim ální teplotu pro tříu izolace C až 4 C je o celkovou změnu o 18%), úbytek na kartáčích se u sleovaných typů strojů uplatní prakticky jen při vyšetřování prouů buzených remanencí, přípaně při určování minimální rychlosti při brzě (jeho honota je okolo,5v pro va přechoy), inukované napětí závisí na otáčkách a buicím magnetickém toku, u strojů bez kompenzace také na prouu v kotvě (viz ále), inukčnost kotvy je poměrně malá, na prouu málo závislá a u kompenzovaných strojů asi čtvrtinová v porovnání se strojem sériovým. Pro nekompenzovaný stroj platí přibližně [1]. r. 1 L a E jm,6 [H, V, s -1,A] pω I jm k inukčnost buzení je značná a silně závislá na buicím prouu, je úměrná přibližně směrnici charakteristiky naprázno nebo směrnici sečny z počátku o pracovního bou (v závislosti na řešeném problému) s přihlénutím k rozptylu hlavních pólů (řáově 1-%), - 6 -

7 1. Sériový motor vliv vířivých prouů ve jhu statoru zjenoušeně znázorněný inuktivně vázaným oporem se uplatní jen při poruchových přechoových jevech (zkraty); po omezenou obu se stroj chová jako cize buzený, rychlé změny magnetizačního prouu jsou kompenzovány účinkem vířivých prouů. Obr. 5 Zapojení a náhraní schémata stejnosměrného motoru: zapojení, úplné náhraní schéma, náhraní schéma pro provozní přechoné stavy, náhraní schéma pro ustálené stavy (ssmot1.wg) Pro vyšetřování elektromechanických jevů (napříkla poměrů při skluzu) je ůležitý moment setrvačnosti kotvy J [kgm ]. Pole [1] r. J (,5... ) M jm [kgm, Nm, s -1 ] ω Pro říve používaný úaj GD platí vztah jm GD = 4J [kgm ] MAGNETIZAČNÍ CHARAKTERISTIKA A REAKCE KOTVY Magnetizační charakteristika resp. charakteristika naprázno a z ní ovozené charakteristiky inukovaných napětí jsou záklaní charakteristiky stroje. Je výrazně nelineární a ovlivňuje většinu vlastností stroje. Zahrnutí skutečného průběhu magnetizační charakteristiky o výpočtů je většinou nezbytné a vee na grafické metoy pro názorné, orientační a přeevším jenorázové přípay, matematickou aproximaci této charakteristiky pro opakované výpočty (na počítači). Při aproximaci charakteristiky je ůležité oržet celkový charakter a ostatečnou přesnost (např. 1..%) v celém používaném rozsahu honot prouu s ostatečnou rezervou. Zejména by mělo jít o funkci lichou (celkový charakter křivky), o funkci s vyjářenou lineární částí v okolí počátku a poku možno i pro velké buicí prouy, o funkci hlakou, zvláště, poku se z ní ovozuje průběh inukčnosti buicího obvou. Těmto požaavkům poměrně špatně vyhovuje běžná polynomická aproximace i aproximace přímkovými úseky. Lepší je aproximace magnetizační charakteristiky ve tvaru - 7 -

8 1. Sériový motor I B b r. 3 E ( I ) = A. arctg [ ra] b ke A, B jsou konstanty, určené pro nejlepší aproximaci skutečného průběhu. Příkla pro motor 1Al 454 FiR je na Obr. 6, oku je viět, že chyba nepřekračuje ± 1,5 % (A=1, V, B=9,81 A). 16, Eo [V] ,5 1,,5, -,5-1, -1,5 -, Ib [A] Chyba v % Eo Eoaprox Chyba % Obr. 6 Charakteristika naprázno motoru 1Al454FiR pro 995 ot/min. (mgchfir.xls) Ještě lepší je aproximace ve tvaru I B b r. 4 E ( I ) = A. arctg C. I [ V, A ra] b + b, Pro funkci inverzní lze použít kromě r. 3 také relativně velmi obrou aproximaci ve tvaru r. 5 C Ib A. E + BE = pro C= 5 nebo C=7 Magnetizační charakteristika je závislost magnetického toku (jenoho pólu) nebo sycení ve vzuchové mezeře na buicích Az a je zpravila výslekem magnetického výpočtu stroje. Charakteristiku naprázno z ní lze jenoznačně vypočíst, přeevším však ji lze jenouše měřit v zapojení pole Obr. 7. Obr. 7 Zapojení pro měření naprázno (schenapr.wg) Při tom je stroj poháněn konstantními otáčkami (v alším bueme v tomto smyslu pracovat s úhlovou rychlostí otáčení ω ), jeho buicí prou se zvyšuje a poté opět snižuje a při tom se měří inukované napětí - 8 -

9 1. Sériový motor kotvy (označení E ). Tak je získána (úzká) hysterezní smyčka. Z ní se pro kažý buicí prou určí průměrné honoty napětí při zvyšování a snižování a takto získaná závislost slouží pak k alším výpočtům. Kromě toho lze určit také remanentní napětí na sestupné větvi pro nulový buicí prou. Bývá asi 3% jmenovitého napětí stroje při jmenovitých otáčkách. Remanentní napětí je významné v některých speciálních přípaech (viz ále). Konkrétní průběh charakteristiky naprázno je na Obr. 8. Přímková část opovíá poměrům, ky se převážná část magnetomotorické síly buzení spotřebuje na vzuchové mezeře. S rostoucím nasycením magnetického obvou potřeba magnetomotorické síly rychle roste. Trvalý prou v aném přípaě (jená se o sériový motor) je 1 A, takže jmenovitý bo je aleko v nelineární části. Nelinearitu je skutečně třeba respektovat. 1 8 Eo [V] Ib [A] Obr. 8 Charakteristika naprázno motoru Al4446iP pro 9 ot/min. (magcha1.xls) Poku je kotva protékána prouem, uplatňuje se ve stroji kromě magnetomotorické síly buzení také magnetomotorická síla (mmsa) tímto prouem vyvolaná a v přípaě, že stroj je kompenzovaný ještě mmsa kompenzačního vinutí. Toto vinutí je uloženo v rážkách pólových nástavců a je protékáno prouem kotvy. Zjenoušené poměry pro oba přípay pro rozvinutou část stroje po hlavním pólem jsou na Obr. 9. U nekompenzovaného stroje se výslená mmsa po pólovým nástavcem mění oečtením resp. přičtením mmsy vinutí kotvy. Ačkoliv je snížení magnetického pole (Az) na jenom konci pólového nástavce vyrovnáno zvýšením na konci ruhém ochází vlivem nelinearity magnetizační charakteristiky ke snížení celkového magnetického toku pólu a tey i snížení inukovaného napětí pole Obr. 1. Mmsu reakce lze přepočítat na počet závitů buicího vinutí N mg a na buicí prou, který je nezávislou proměnnou v charakteristice inukovaných napětí

10 1. Sériový motor Obr. 9 Magnetomotorická síla o jenotlivých vinutí u nekompenzovaného a kompenzovaného stroje (rekot1.wg) Změna mmsy po okraji pólového nástavce vlivem reakce kotvy opovíá změně buicího prouu r. 6 1 A Ib = ατ p [A, m, A/m] N mg ke A je prouové obložení kotvy a N mg počet závitů na pólu. S použitím vztahu pro prouové zatížení obvou kotvy A lze tuto honotu vypočítat z úajů stroje (N je počet voičů, a počet paralelních větví a D k průměr kotvy) r. 7 πdk Ik NIv N Ik τ p = Iv = A = = [A/m, A, m] p a πd πd a k k a po ostáváme r. 8 I α N b =. Ik = h Ik 8ap N. ke h je konstanta, závislá na proveení stroje. mg - 1 -

11 1. Sériový motor 1 8 Eo [V] h.I b Ib [A] Obr. 1 Změna inukovaného napětí při zatížení nekompenzovaného stroje (mgcha.xls) 1 8 Ik= E [V] 6 4 Ik=5 A Ik=1A Ik=15 A Ib [A] honotě Obr. 11 Charakteristiky inukovaného napětí naprázno a při zatížení prouem 5, 1, 15A (mgcha1.xls) Poměry při zatížení stroje lze pak znázornit pole Obr. 1, které opovíají buicímu prouu 5A a I b = 5A. Inukované napětí opovíá stření honotě vyznačeného úseku charakteristiky, která je menší než honota E pro I b =5A. Snížení závisí na zakřivení charakteristiky pro aný buicí prou a na velikosti I b. Tak lze získat soustavu charakteristik inukovaného napětí při zatížení konstantním

12 1. Sériový motor prouem. Pro použitý přípa jsou na Obr. 11 uveeny charakteristiky inukovaných napětí pro cho naprázno a při zatížení prouem 5, 1 a 15A. U sériového stroje platí při plném buzení I b = I k a šířka vyznačeného pásma se mění úměrně s prouem. Proto z kažé charakteristiky na Obr. 11 platí tomu opovíající bo a ty pak tvoří charakteristiku inukovaného napětí sériového stroje pro plné buzení. Při plném poli je u trakčních motorů vliv reakce kotvy poměrně malý, ale roste se zašentováním (viz ále), ky platí r. 9 I = x. I ke x 1 b k takže při stejném prouu v kotvě a tey i honotě I je buicí prou x-krát menší. Poku by se neměl v takovém přípaě směr toku na kraji pólového nástavce působením reakce kotvy změnit, musí zřejmě platit b r. 1 α I b = hik Ib = xik zčehož x h =. 8ap N N p Ať již použijeme výše uveené kritérium nebo ne je zřejmé, že existuje hranice zeslabení buzení aná parametry stroje ve tvaru r. 1. Nekompenzovaná reakce kotvy má tey za násleek, že inukované napětí se zatížením klesá, stroj se (mírně) obuzuje a to má vliv na průběh trakčních charakteristik, který zvláště v obuzení nelze zanebat, stroj v obuzení hůře komutuje, protože napětí, které je inukováno ve voičích po pólovým nástavcem není rozloženo rovnoměrně. Proto i lamelové napětí na opovíajících lamelách není rozěleno rovnoměrně. Pro komutaci je ale rozhoující jeho největší honota, takže komutace nekompenzovaných strojů je obecně horší resp. stupeň jejich největšího obuzení je výrazně menší než u strojů kompenzovaných. U kompenzovaného stroje je účinek reakce kotvy kompenzován (alespoň v rozhoující míře) polem kompenzačního vinutí, která je buzeno stejným prouem, takže k popsaným jevům prakticky neochází.. Na ruhé straně kompenzační vinutí komplikuje stroj, který je ražší a má ztráty větší o ztráty v kompenzačním vinutí. Toto zvětšení opovíá zhruba α násobku ztrát v kotvě (vinutí je protékáno prouem kotvy, ale je rozmístěno jen na pólových nástavcích). V alším bueme označovat charakteristiku inukovaných napětí, která opovíá úhlové rychlosti ω, otáčkám n nebo rychlosti V jako funkci E ( I b, I ) a pro kompenzovaný stroj (přibližně) jako funkci ( ) k Velikost inukovaného napětí pro jinou úhlovou rychlost, otáčky nebo rychlost jízy je ω ω r. 11 E = E ( I, I ) = E ( I, I ) = E ( I, I ) = Ψ( I, I ). ω n b k b k b k b k n V Srovnáním r. 11 s inukčním zákonem ostáváme E I = r. 1 Ψ (, I ) b k ( I I ) b, k ω E. Se vztahem pro magnetický záběr Ψ pole r. 1 se bueme v alších ílech setkávat v tomto významu často V I b

13 Výraz r. 11 vyjařuje inukovaného napětí lineární závislost na otáčivé rychlosti ( ω, n, V Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru ) a 1. Sériový motor nelineární závislost na magnetickém toku (poměr = Ψ ω E při aných buicích poměrech). 1. NÁHRADNÍ SCHÉMA, CHARAKTERISTIKY Pro sériový stroj (a ustálené stavy) bueme používat jenouché náhraní schéma pole Obr. 1. S použitým označením a pole r. 11 platí Obr. 1 Náhraní schéma sériového stroje (zaklsch1.wg) E r. 13 U = E + RIk = ω + RIk = Ψ. ω + RIk ω Pro příkon stroje platí zřejmě r. 14 k k k P = UI = EI + RI = P + RI i k První člen E I k reprezentuje vnitřní výkon, ruhý I k vnitřnímu momentu, který se ělí na moment na hříeli a momentové ztráty Pi E Ik E r. 15 M M M = = = Ik M = Ψ Ik M ω ω ω Charakteristika inukovaných napětí je i v tomto vztahu rozhoující složkou. R ztráty ve vinutí. Vnitřní výkon opovíá Momentové ztráty zahrnují přeevším ztráty mechanické a ztráty v železe (prakticky v magnetickém obvou kotvy) a lze je s použitím ztrát naprázno P vyjářit vztahem r. 16 M P = ω Dosazením o r. 14 ostáváme přehlenou energetickou bilanci stroje k r. 17 P = UI = Mω + RI + P k Pro inukčnost (iferenciální, pro aný buicí prou) platí [1] (po úpravách) r. 18 L 4π a( 1 + σ ) b ( I, I ) Nb 1 E b k Nb Ψ b =.. = 4πa( 1 + σ ). N ω I N I b ( I, I ) b k

14 1. Sériový motor Výraz obsahuje sklon tečny k charakteristice inukovaných napětí v pracovním boě. Na tento přípa se zejména vztahuje požaavek na hlakou aproximaci funkce E. Koeficient σ je koeficient rozptylu, který se pohybuje v mezích asi,1,. Tvar aproximace závislosti této inukčnosti na buicím prouu lze ovoit erivací r. 3. Pro aproximaci průběhu inukčnosti jako sečny veené z počátku o pracovního bou lze použít tentýž postup. Koeficienty je ale nutno určit aproximací pro takto efinovaný průběh inukčnosti. Otáčková a momentová charakteristika, vyjářená jako závislost na prouu v kotvě I k jako parametru má tey tvar r. 19 ( I I ) ω E b, ω =. ( U RIk ) M = E( Ib, Ik ) ω k I k M Při zběžných úvahách bueme něky momentové ztráty zanebávat. Kvůli nelinearitě E nelze zřejmě vyjářit otáčkovou charakteristiku explicitně jako ω = ω ( M). To však není na závau, protože prou motoru je přirozeně také ůležitá veličina ve všech úvahách a přestavuje 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 stříavém systému), změnou přeřazeného oporu (na stejnosměrném systému), změnou buzení, šentováním magnetů (na obou systémech). Mezi veličinami v r. 19 a parametry vozila platí vztahy r. πdk n Dk ω V =. 3, 6 =. 3, 6 6 i i [km/h, m, ot./min.], [km/h, m, s -1 ] Mi r. 1 F =. m [kn, knm,m] D k ke D k je průměr kola, i převo a m počet trakčních motorů vozila ŠENTOVÁNÍ Pro sériový motor se zaváí šentovací poměr vztahem r. I b = x. Ik x x 1 min Poku je x=1 hovoříme o provozu s plným polem, v opačném přípaě o obuzení, ale lépe o šentování. O minimálním ovoleném obuzení x min již byla zmínka (r. 11). Pro otáčkovou a momentovou charakteristiku při zašentování pak z r. 19 plyne r. 3 ( xi, I ) ω E k k ω = ( U RIk ) M =. I E( xik, Ik ) ω k M

15 1. Sériový motor Jestliže zanebáme momentové ztráty a charakteristiku inukovaných napětí (velmi hrubě!) nahraíme pro malé prouy lineární závislostí ( k k ) k E xi, I = K1. x. I, lze snano naznačit charakter průběhu otáčkové a momentové charakteristiky i vliv šentování pro tento jeen krajní přípa. Pro malé prouy platí pole r. 3 v závislosti na prouu kotvy a šentovacím poměru U K1xIk r. 4 ω ω což je hyperbola a M což je parabola K xi ω 1 k Výsleky jsou znázorněny v Obr. 13 pro x=1 a po zašentování na x=,5 a ukazují charakteristický průběh těchto závislostí. Pro větší prouy klesá rychlost pomaleji a také moment roste pomaleji (srov. skutečný přípa ále). V, Ft, 1,5 1, V x=1 Ft x=,5,5,,,5 1, 1,5, 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 rozíl o charakteristiky naprázno, která se měří pouze na jenom stroji se pole normy měří otáčkové charakteristiky na 1 strojích a z měření se určí charakteristika stření. Ta proto přirozeně lépe reprezentuje vlastnosti motorů a ovšem zahrnuje i všechny ruhy ztrát. Pro výpočet charakteristik na oporových stupních je třeba znát teplotu vinutí stroje při měření s ohleem na změny oporu s teplotou. 1.3 ZTRÁTY Ztráty v motorech jsou významnou částí celkových ztrát na vozile a tey významně ovlivňují jeho účinnost jako záklaní energetický parametr. Je třeba zůraznit hne v úvou, že účinnosti všech zařízení se uávají zpravila pro jmenovitý režim a jejich přepočet na jiné režimy je nutno provést pole toho, jak na něm závisejí jenotlivé ruhy ztrát. Výpočet účinnosti ze ztrát je obyčejně přesnější a také názornější cestou. Ve skutečnosti totiž o náklaech na energii, požaavcích na chlazení a alších nepříznivých opaech, které

16 1. Sériový motor ztráty způsobují rozhouje v konečném efektu energie [kwh] oebraná z troleje pro jejich krytí. Ta závisí na ztrátách v [kw] a obě provozu [h]. Účinnost je tey koeficient vhoný přeevším k porovnávání obobných zařízení v poobných provozních poměrech. Kromě toho se u zařízení na stejné technické úrovni liší účinnost obyčejně jen málo. U více využitých moerních zařízení má účinnost spíše klesající tenenci a závisí na způsobu chlazení. Velikost ztrát v [kw] je rozhoující pro určení požaavků na chlazení. To vžy přestavuje potřebu určitého příkonu (ať se jená 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 jízního oporu). To platí přirozeně nejen pro trakční motory (jakéhokoliv ruhu), ale i pro všechna alší zařízení na vozilech. Ztráty v elektrických zařízeních obecně můžeme rozělit na ztráty ve voičích (Jouleovy), ztráty v magnetických materiálech (vířivými prouy a hysterezní), ztráty v ielektriku konenzátorů (většinou zanebatelné) a ztráty mechanické (třením v ložiscích a ventilační). V motorech se zřejmě uplatňují tři, v transformátorech zřejmě jen první va typy, v měničích, topilech, veeních at. pouze první typ, v konenzátorech třetí ev. první. Z jiného úhlu pohleu lze ztráty v motorech (a v opovíající míře i na ostatních elektrických zařízeních) rozělit na napěťové (nakrátko), působené přímo nebo nepřímo průtokem prouu snižují napětí a tey i otáčky pro jinak stejné poměry (srov. r. 3), momentové (naprázno), jejichž rozhoující část tvoří ztráty mechanické a ztráty v magnetickém obvoě (srov. r. 3). Pro oha ztrát ve vinutí zpravila postačí počítat s opory jenotlivých vinutí, které je ale třeba přepočítat na pracovní teplotu 15 C (pole IEC 349- pro všechny tříy izolace). Ve zvláštních přípaech je třeba připočíst i úbytek na kartáčích. Ztráty naprázno se měří v zapojení pole Obr. 7. Ztráty mechanické se určí z příkonu pomocného poháněcího motoru (po oečtení jeho vlastních ztrát) v závislosti na otáčkách. Zkoušený motor není buzen. Ztráty naprázno zahrnují ztráty třením v ložiscích a na komutátoru a ztráty ventilační významné přeevším, kyž má stroj vlastní chlazení. Závislost mechanických ztrát na otáčkách lze obře aproximovat vztahem r. 5 C P mech A. n + B. n ke C 3 Ztráty v magnetickém obvoě ( v železe ) se změří (přirozeně současně se ztrátami mechanickými) ve stejném zapojení s tím rozílem, že se stroj postupně buí a jeho napětí tey roste. Ztráty v magnetickém obvou obecně závisí na vou parametrech, na sycení a kmitočtu. Zpravila se ovšem uávají v závislosti na napětí (~sycení) a otáčkách (~kmitočtu v kotvě). Výslený průběh naměřené závislosti pro konstantní otáčky a postupně (buzením) zvyšované napětí je na Obr

17 1,5 Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru 1. Sériový motor 1 Po Po,5 Pmech,,4,6,8 1 E Obr. 14 Příkla ztrát naprázno (mernapr.xls) Limita průběhu ztrát pro E= opovíá ztrátám mechanickým, které na E nezávisí. Ztráty v železe opovíají přírůstku ztrát při nabuzení stroje. Takových měření je třeba provést řau pro různé otáčky a tak získat síť křivek. Pro určení ztrát v obecném provozním boě je pak třeba mezi nimi interpolovat. Pro aproximaci ztrát v železe je třeba použít funkci vou proměnných, napříkla ve tvaru r. 6 Fe B P A. n. E C Určení koeficientů A, B, C může být pracné a aproximace jen velmi přibližná. Naštěstí vzhleem k tomu, že vzniklé chyby se týkají ztrát tj. veličin ruhého řáu, uplatní se ve výsleku pro celý stroj jen málo. Jestliže tvoří ztráty v železe např. %, přestavuje 1% chyba v jejich aproximaci výslenou chybu asi,%, což je obyčejně přijatelné (ve skutečnosti hluboko po přesností měření i opakovatelnosti na různých strojích). V přípaech, ky porobnější úaje (protokol o typových zkouškách) o stroji chybí, lze zhruba ohanout velikost ztrát ve jmenovitém boě ze štítkových úajů. Celkové ztráty se určí z rozílu mezi příkonem a výkonem (což jsou všechno štítkové úaje) r. 7 P = U I P jm jm Pro trakční stroje s cizím chlazením, sériovým buzením a bez kompenzace platí pro jmenovitý režim přibližně úaje pole Tab. 1. Tab. 1 Rozělení ztrát Druh ztrát Poíl na celkových ztrátách Vinutí kotvy % Vinutí buzení 15-5 % Magnetický obvo 5-4 % Mechanické ztráty 7-1 %

18 1. Sériový motor Otu lze ohanout také opory při známém jmenovitém prouu P r. 8 Rmot = I Cu jm jm Ztráty pro jiné prouy opovíají pak tomuto oporu a čtverci skutečného prouu nebo přímo r. 9 P Cu = P Cujm I I jm Pro oha závislosti ztrát v železe lze velmi zhruba přepokláat, že v oblasti regulace napětím rostou úměrně s otáčkami resp. s rychlostí. V oblastí obuzení se částečně kompenzuje jejich vzrůst s kmitočtem a pokles se sycením. Chyba je velká, ovšem menší než kyby se tyto ztráty zanebaly úplně (což je pro zběžný oha také možné, srov. iskusi k r. 6). Ještě jenoušeji lze přibližně počítat, že / 3 ztrát vzniká ve vinutí, / 9 v železe a 1 / 9 je mechanických. 1.4 OTEPLENÍ A CHLAZENÍ Ztráty působí oteplení jenotlivých částí stroje. Rozhoující je teplota izolace a proto se ovolená oteplení jenotlivých ílů při ané teplotě okolí určují pole jejích vlastností. Tyto teploty (resp. oteplení při přeepsané teplotě chlaicího vzuchu) jsou u trakčních strojů o K vyšší než u strojů pro průmyslové použití, protože se bere v úvahu velmi proměnlivé zatížení (maximální teploty se vyskytují krátkoobě a zříka) a omezený prostor pro motory na vozile. Oteplení, správně ovšem teplota má velký vliv na životnost izolace. Montsingerův zákon (založený ale na měření pro starší typy izolací) uává, že zvýšení oteplení o 8 1 K sníží životnost izolace na polovinu! Tříy izolace běžně používané pro trakční stroje a jim opovíající oteplení jsou v násleující Tab. (IEC 349/199) pro teplotu okolí +4 C. Třía C je uveena pro úplnost a s ohleem na alší kapitoly, pro stejnosměrné stroje se užívá výjimečně. Mezní teplotu (4 C+oteplení) musí příslušná izolace vyržet po h nepřetržitě. Tab. Oteplení [K] trakčních strojů pro třía izolace F, H, C Třía izolace F H C () Komutátor Vinutí rotoru Vinutí statoru Počáteční oteplení při krátkoobých zkouškách Stejnosměrné trakční motory se chlaí prakticky výhraně vzuchem. Na jeho čistotu jsou klaeny vyšší požaavky, protože přichází bezprostřeně o styku s živými částmi po napětím (sběrací ústrojí, komutátor). V zásaě může jít o chlazení vlastní a cizí

19 1. Sériový motor Vlastní chlazení obstarává ventilátor na hříeli stroje. Výhoou je jenouchost chlaicího obvou, není zapotřebí zvláštní ventilátor, jeho napájení, ovláání, kontrola at. a prakticky nepřichází v úvahu ztráta chlazení v provozu. Hlavními nevýhoami vlastního chlazení jsou zejména nesoula mezi množstvím chlaicího vzuchu, které závisí lineárně na otáčkách, a velikosti ztrát, jejichž větší část závisí na čtverci prouu; při nízkých otáčkách a v kliu je chlazení neostatečné, 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, ky zvyšuje jízní opor, možnosti čištění nasávaného vzuchu jsou velmi omezené nebo veou ke konstrukčním komplikacím. Vlastní ventilace se hoí pro menší výkony a vozila bez těžkých a louhých rozjezů. Motor se imenzuje na zaaný průběh zatížení (přetížení a výběh) pole přepokláaného tachogramu provozního využití. Cizí chlazení je náklanější, vyžauje ventilátor s motorem, jeho napájením a řízením (spouštěním), vzuchovoy s propojením mezi skříní a povozky a zabírá proto prostor ve strojovně. Ostraňuje ale uveené nevýhoy vlastního chlazení, přeevším lze intenzitu chlazení přizpůsobit skutečné potřebě popřípaě ho vůbec vypnout. To vee 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 ochlazování motorů po přechozím přetížení, je možné chlazení i v kliu, poměrně okonalé může být čištění vzuchu (saje se obyčejně ze střechy přes žaluzie, filtry, nasávací skříně apo.). Co se týče uspořáání chlazení existuje řaa konstrukčních variant, které mohou mít významný vliv na provozní vlastnosti. Vzuch může vstupovat na komutátor, který je pak nejlépe chlazen, avšak uhlíkový prach z kartáčů se může usazovat v motoru. Opačný směr průchou vzuchu zase zhoršuje chlaicí poměry pro komutátor. Vzuch může být motorem prosáván nebo protlačován. Jeou li vozila s cize chlazenými motory (tzn. bez vlastního ventilátoru na hříeli) bez chlazení (napříkla výběhem nebo jsou tažena), může ocházet ke zpětnému nasávání vzuchu z prostoru po vozilem o motorů. Těmito konstrukčními záležitostmi se ale zabývat nebueme

20 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení ŘÍZENÍ A VLASTNOSTI PŘI STEJNOSMĚRNÉM NAPÁJENÍ.1 ŘÍZENÍ PŘEDŘADNÝMI ODPORY Záklaním způsobem a jeiným, který ovoluje říit prou motoru i v kliu, zpravila při plném buzení, je zařazení přeřaného oporu o série s motorem pole schématu na Obr. 15. Závislost rychlosti na prouu kotvy opovíá r. 3 ( ) ( ) U Rmot + R př Ik r. 3 V = V pro x E I = k 1 Obr. 15 Řízení přeřaným oporem (opor.wg) Počet stupňů a velikost jenotlivých přeřaných oporů se říí velikostí ovolených prouových skoků I (a tey i momentových skoků) při jejich přepínání. Ty jsou největší jsou při maximálním rozjezovém prouu I max (napříkla ahezním). Tyto skoky jenak namáhají ynamickými rázy pohon a mohou vyvolávat kmitavé jevy v soupravě (poku je louhá a volně spřažená), jenak omezují možnosti využití aheze. Poměry při návrhu ukazuje Obr ,5 1 I1 I V,5 Vp Stupeň (n+1) Nájezový stupeň,5,5,75 1 Ik Stupeň n Obr. 16 Výpočet oporových stupňů (oporch.xls) - -

21 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení Zpravila se vyje z přirozené charakteristiky motoru (bez přeřaného oporu) a postupně se vypočítávají honoty přeřaných oporů tak, aby skoky prouu opovíaly zaání. Pro okamžik přepnutí mezi stupněm n a n+1 při konstantní rychlosti V p platí pole r. 3 zřejmě r. 31 V p U = V ( Rmot + Rpř ( n) ). I E ( I ) 1 1 U = V ( Rmot + Rpř ( n+ 1) ). I E ( I ) oku lze z aných honot vypočítat velikost oporu na přechozím (nižším) stupni. Oporové stupně nemusí být ovšem vžy rozvrženy rovnoměrně. Rozjezový prou může napříkla sleovat závislost ahezní tažné síly na rychlosti, skoky mohou být jemnější v okolí režimu, ky se osahuje ahezní tažné síly v kliu apo. Kromě toho musí první stupeň resp. první stupně (nájezové stupně) umožňovat manipulaci se samotným vozilem.to vyžauje možnost nastavit i při stojícím vozile (E =) přiměřeně malý moment a tey i prou I min. Pro opor prvního nájezového stupně R platí zřejmě U r. 3 R = Rmot I min Při přepínání oporových stupňů musí být splněna pomínka, že prou motoru nebue přerušen. Při uspořáání pole Obr. 15 je tento požaavek splněn překrytím spínání stykačů. Musí být ale splněn také v přípaech, ky se používají složitější kombinace jenotlivých ílů oporníku (paralelní řazení různých částí apo.). Přepínání oporových stupňů se prováí buď jenotlivými stykači (elektromagnetickými, elektropneumatickými) nebo vačkovými stykači, které jsou spínány mechanicky kontrolérem. První přípa umožňuje větší pružnost návrhu, zvláště při požaavku na oporovou brzu, rychlé najetí a sjetí. Druhý zajišťuje (mechanickou vazbou) přesný sle spínání stykačů. Oba způsoby se používají.. ZMĚNA SMĚRU TOČENÍ A ŠENTOVÁNÍ Změnu směru točení trakčních motorů (změnu směru jízy - reverzace) lze osáhnout změnou směru prouu buď v buzení nebo v kotvě. To se prováí výhraně bez prouu přístrojem označovaným měnič směru. Poku je třeba prováět rychlou reverzaci prouu např. při přechou z tahu o elektrického brzění, reverzuje se obyčejně kotva s ohleem na louhou časovou konstantu vinutí magnetů (přerušení oznívajícího prouu). Jinak se reverzují magnety. I kyž u sériového motoru jsou prouy v magnetech i kotvě stejné, napětí na kontaktech měniče směru je v takovém přípaě aleko menší. Poku se ale tímtéž přístrojem zajišťuje i poruchové opojení motoru nebo motorové skupiny (což je běžné), nehraje tato okolnost roli. Šentování hlavních pólů stroje se nejčastěji prováí pole Obr. 17 připojením oporníku s vhoným oporem paralelně k vinutí magnetů. V ustálených stavech se prou rozělí o obou větví pole poměru jejich voivostí. Poměr buicího prouu k prouu v kotvě je postupně pole r. r. 33 I x. I, I = ( 1 x) b Ib Rs x x = k s Ik, = =, Rs = Rb, I R 1 x 1 x s b Rs x = R + R s b - 1 -

22 ke o oporu šentu je započten i opor šentovací tlumivky. Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru. Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení Obr. 17 Šentování hlavních pólů (senty.wg) Otáčkové a momentové charakteristiky se vypočtou pro zvolené honoty x pole výrazů r. 3. Ostupňování šentů bývá hrubší než u rozjezových stupňů. Při návrhu se vychází ze stejných zása jako u oporových stupňů, avšak v tomto přípaě jsou ány obě meze: plné pole, x=1 a minimální buzení x=x min. Do tohoto rozsahu je třeba vložit potřebný počet šentovacích stupňů. V přechoových stavech se na rozělení prouů poílí i inukčnosti obou větví, která je u magnetů značná. Aby v takových přípaech neocházelo ke (krátkoobému) pokročení minimálního buzení s nebezpečím přejiskření stroje, zařazuje se o série se šentovacím oporníkem tlumivka. Rozělení prouů v přechoových jevech tak lze uržet v přijatelných mezích. Beze zbytku řeší tento problém opínání části závitů na hlavních pólech. Zásaním neostatkem je skutečnost, že je nutno opojovat a tey i vyvést z motoru na příslušný přístroj všechny obočky ze všech pólů (přípaně vojic pólů) stroje. Popsaný způsob šentování paralelním připojením oporu je jenouchý, ale má některé neostatky, zejména Opor měěného vinutí hlavních pólů se mění v závislosti na oteplení v poměrně širokých mezích jak bylo již uveeno, zatímco oporový materiál šentovacího oporníku má teplotní koeficient oporu obyčejně velmi malý. S teplotou se nastavený šentovací poměr mění a omezuje využití šentování. Kromě toho, i kyž se pro šentování využije opor šentovací tlumivky s měěným vinutím, nelze přepokláat, že teploty obou vinutí buou alespoň blízké vzhleem k různému způsobu zatěžování. U velkých strojů, zvláště na nižší napětí (u motorů pro stříavá vozila), je ohmický opor vinutí magnetů velmi malý, takže i ohmické opory v šentovacím obvou jsou tak malé, že se uplatňuje nejen élka kabelů mezi motorem a šentovacími stykači, ale přípaně i neurčité přechoové opory v obvou. Šentovací oporníky pak musí být iniviuálně nastavované. V souvislosti se šentováním je třeba upozornit na to, že při řízení přeřanými opory mohou nastat obecně va zcela olišné přípay. Poku je motor napájen z prakticky tvrého zroje napětí (hospoárný stupeň bez přeřaného oporu) jak je běžné, nemůže se při zašentování změnit inukované protinapětí (srov. r. 13) a tey ani prou tekoucí buicím vinutím, na kterém při nezměněných otáčkách inukované napětí závisí. Proto se nemůže změnit ani buicí tok. Proto je v této souvislosti přesnější používat výrazu šentování místo obuzení nebo zeslabení pole. Prou v kotvě při tom vzroste o prou tekoucí - -

23 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení šentovacím oporníkem, takže moment stroje při nezměněných otáčkách vzroste v ůsleku vzrůstu prouu v kotvě. Poku by se však z nějakých ůvoů šentovalo na (počátečních) oporových stupních, je prou v motoru určen přeevším tímto oporem (protinapětí je při tom malé). Jená se přibližně o přípa napájení motoru ze zroje stálého prouu. Pak se při zašentování prou v kotvě zvětšit nemůže a rozělí se nově mezi vinutí hlavních pólů a šentovací oporník. Magnetický tok klesne a stejně klesne i moment motoru. Existuje tey obecně stav, ky zašentování nemá na moment stroje vliv! Konečně poznamenejme, že šentovací poměr x se týká prouů v buicím 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 buicího prouu je zřetelně jiná než opovíá poměru x a navíc závisí i při stejném x na velikosti buicího prouu (kyž nepočítáme s reakcí kotvy)..3 SKUPINOVÉ ŘAZENÍ Řízení přeřanými opory je výrazně ztrátové. Šentování se považuje za řízení hospoárné (ztráty v šentovacích opornících jsou malé), ale používá se prakticky jen na hospoárných stupních po vyřazení přeřaných oporů. U voziel s více trakčními motory existuje alší možnost hospoárné změny otáček. Jenotlivé motory nebo motorové skupiny lze spojovat v závislosti na jejich počtu na ané trolejové napětí různým způsobem a tím i měnit velikost napětí na svorkách motoru, i kyž jen v hrubých krocích, které musí být oplněny řízením přeřanými opory. Některé možnosti jsou schematicky znázorněny na Obr. 18. Obr. 18 Možnosti skupinového řazení motorů nebo motorových skupin (skupiny.wg) - 3 -

24 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení Místo jenotlivých motorů se často pracuje s motorovými skupinami, které jsou obyčejně složeny ze vou motorů pole Obr. 19. Obr. 19 Změna směru točení a šentování pro motorovou skupinu (skupina1.wg) Důvoy jsou přeevším va jak je z Obr. 19 zřejmé: omezené svorkové napětí trakčních motorů (3/V) při práci na trolejovém napětí 3Vss, úspora přístrojů pro změnu směru a šentování (přípaně měničů - viz ále). Obr. Můstkový přecho mezi sériovým a (sério)paralelním zapojením motorových skupin (mustek.wg) Při přepínání mezi jenotlivými zapojeními by nemělo ojít k většímu skoku momentu (prouu) než při normálním rozjezu. K tomu slouží postup označovaný jako můstkový přecho. Postup při rozjezu vozila se věma motorovými skupinami (např. lokomotiva Bo Bo ) je schematicky naznačen na Obr. a zahrnuje rozjez na oporových stupních v sériovém zapojení, jízu na hospoárný stupeň na sérii, - 4 -

25 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení můstkový přecho, rozjez na oporových stupních v sérioparalelním zapojení, jízu na hospoárný stupeň při sérioparalelním zapojení motorů. Šentování (nekresleno) lze použít na obou hospoárných stupních. Vlastní můstek je vytvořen schématem můstek II.. V tomto okamžiku vzroste skokem prou oebíraný z troleje o motorů o prou tekoucí oporníky, ale prou motorů se nemění. Poku jsou oba prouy stejné, neoje ani po vypnutí stykače L ke skoku prouů v motorech, protože v takovém přípaě jím žáný prou neprotéká (můstek je vyvážený). To je při ané velikosti oporu zřejmě možné pouze pro jeiný prou. V ostatních přípaech ochází k většímu či menšímu skoku prouu v motorech a tey i v jejich momentu..4 ZTRÁTY PŘI ROZJEZDU Při rozjezu vznikají na oporových stupních ztráty, které zhoršují energetickou bilanci stejnosměrné trakce. Poměry za maximálně zjenoušených poměrů (rozjez konstantním prouem na rovině, jízní opory jsou zanebány) jsou znázorněny na Obr. 1 pro vozilo bez skupinového řazení. Na Error! Reference source not foun. jsou znázorněny poměry při skupinovém řazení vou motorů. Energie, přeměněná v teplo v rozjezových opornících je v tomto přípaě zhruba poloviční. Obr. 1 Ztráty při oporovém rozjezu (ztraty1.wg) Obr. Ztráty při skupinovém řazení (ztraty1.wg) Na ruhé straně je třeba poukázat na to, že zvýšené ztráty se vyskytují pouze při rozjezu a na hospoárných stupních (včetně šentovacích) jsou ztráty minimální (vznikají jen v motorech a přípaně v šentovacích obvoech). U měničových voziel sice ztráty v opornících při rozjezu opaají, ale - 5 -

26 . Řízení a vlastnosti při stejnosměrném napájení přibývají ztráty v měničích ve všech režimech. Posouzení energetické výhonosti tey záleží na provozním nasazení, na počtu rozjezů v poměru k obě jízy na hospoárných stupních. Energetické hleisko není ovšem zpravila jeiné a výhoy hospoárné regulace měniči zpravila převažují

27 3. Tramvajová brza 3 TRAMVAJOVÁ BRZDA V souvislosti se stupňovým řízením sériového motoru se bueme zabývat zapojením, které se označuje jako tramvajová brza, i kyž ji lze pochopitelně použít u všech typů voziel. Záklaní zapojení obvou je na Obr. 3 a opovíá mu rovnice r. 34 E i E = ω = k Rik + Lb ke R = R m + Rop ω t Pro zvolené otáčky resp. rychlost vyjařuje r. 34 iagram na Obr. 4. Ustálený stav opovíá průsečíku oporové přímky s charakteristikou inukovaných napětí pro příslušné otáčky. Obr. 3 Schéma tramvajové brzy (trambr.wg) V přechoném jevu při nabuzování se uplatní i inukčnost obvou, přeevším hlavních pólů. Nárůst magnetického toku při tom zajišťuje naznačený rozíl napětí mezi charakteristikou inukovaného napětí a oporovou přímkou. 785 E [V] E Lb.Ik/t R.Ik 6 1 Ik=Ib [A] Obr. 4 Grafické vyjáření r. 34 (trambr1.xls) Z toho je zřejmé, že nabuzení z nulového prouu je závislé na remanentním napětí; poku se ztratí nebo obrátí jeho polarita motor se nenabuí a brza nebrzí, při ané rychlosti závisí velikost brzového prouu výhraně na velikosti oporu v obvou (srov. Obr. 5), při poklesu rychlosti klesá prou stále rychleji až o nestabilního stavu, ky oporová přímka splyne s lineární částí charakteristiky a prou rychle klesne na velmi nízkou honotu, - 7 -

28 3. Tramvajová brza také při příliš velkém oporu zůstane prou na velmi malé honotě. V obou posleních přípaech lze vhonou změnou oporu brzový účinek obnovit na rozíl o stavu při ztrátě remanence. 1 3*R1 8 *R1 E E [V] 6 4 R Ik=Ib [A] Obr. 5 Poměry při tramvajové brzě pole Obr. 4 pro vojnásobný a trojnásobný opor (trambr1.xls) 1 8 V R,8*R E [V] 6,8*V,6*R 4,6*V Ik=Ib [A] Obr. 6 Přepínání oporových stupňů při poklesu rychlosti (trambr1.xls) Z uveeného je zřejmé, že při brzění je třeba měnit velikost oporu pole požaovaného brzného účinku a rychlosti. K tomu účelu lze přirozeně využít stupňovité přepínání oporníků sloužících pro rozjez. Poměry při přepínání ukazuje Obr. 6. Poku by při vysoké rychlosti vzrostlo napětí na motoru s plným buzením příliš, lze využít šentování poobně jako při jízě. Skupinové řazení se zpravila nepoužívá

29 3. Tramvajová brza Pro výpočet brzových charakteristik platí násleující r. 35. Rychlost i brzná síla jsou opět závislé na prouu I k jako na parametru r. 35 E = E V V = R I RIk P R Ik k V = V, Fb = 3,6 = 3,6 = E ( Ik ) V V E 3,6 ( I ) k V. I k Příkla průběhu brzových charakteristik pro 3 oporové stupně je na Obr. 7.,6*R1,8*R1 R1 1 Fb/Fbo,5,5 1 V/Vo Obr. 7 Brzové charakteristiky tramvajové brzy pro poměry z Obr. 6 (trambr.xls) Obr. 8 Tramvajová brza s přibuzováním (trambr.wg) Jak bylo uveeno, je činnost tramvajové brzy závislá na remanenci, což neposkytuje ostatečnou spolehlivost, která se pro brzu požauje. Požaavek zabezpečení funkce lze zajistit napříkla oplněním brzového obvou o přibuzování z baterie pole Obr. 8. Toto přibuzování se uplatňuje pouze poku platí r. 36 U > R I = R ( I + I ) c b b b c k Jak prou v kotvě postupně roste, klesá prou z baterie až o zavření ioy. Průběh charakteristiky inukovaných napětí v okolí počátku pak opovíá Obr. 9, ke je znázorněno, jak se na I b poílí prouy I c a I k.. Problémem je ovšem bezpečné galvanické oělení obvoů baterie o trakčního obvou. Zapojení baterie jením pólem na zemní potenciál trakčního obvou nelze z hleiska norem považovat za ostatečné, i kyž bylo používáno

30 3. Tramvajová brza 8 6 E [V] Ib [A] Obr. 9 Charakteristika inukovaných napětí s přibuzováním pole Obr. 8, maximální prou z cizího zroje 1A, etail přibuzování (trambr.xls) Poměrně často se používá tramvajová brza v zapojení, ky va trakční motory pracují paralelně o společného oporu. V takovém přípaě je pro stabilní cho nezbytné vzájemně překřížit buicí vinutí obou strojů pole Obr. 3. Bez tohoto opatření by náhoný vzrůst prouu jenoho z motorů vel ke vzrůstu jeho napětí, násleně k alšímu vzrůstu jeho prouu at. až o stavu, ky jeen motor jako generátor pracuje o ruhého jako spotřebiče se zkratovými prouy. Obr. 3 Paralelní cho sériových motorů při brzění se "zkříženými magnety" (trambr.wg) Praktické přípay použití tramvajové brzy jsou uveeny ále

31 4 OCHRANY V TRAKČNÍM OBVODU Elektrická trakce - Stupňové řízení sériového motoru 4. Ochrany v trakčním obvou Ochrany trakčního obvou chrání zařízení jenak proti nebezpečným napětím, jejichž příčinou jsou přeevším přepětí v troleji (spínací pochoy, atmosférická přepětí), jenak proti naprouům, které vznikají jako ůsleek poruchy v obvoech vozila nebo i mimo ně. U voziel se sériovými motory je pro ochranu motorů proti přeotáčkám i nebezpečnému napětí na komutátoru (u motorových skupin) ůležitá skluzová ochrana. Principiální uspořáání ochran na stejnosměrné lokomotivě je na Obr. 31. Obr. 31 Příkla ochran trakčního obvou (ochrany.wg) V tomto přípaě tvoří přepěťovou ochranu proti vnějším přepětím svoič přepětí SP. Popěťové relé Umin zaručuje, že při hlubokém poklesu (ztrátě) napětí v troleji bue vypnut hlavní vypínač (HV) aby bylo zajištěno, že po obnově napětí se bue opakovat postup najížění stupňů o nejnižšího a správný postup při rozběhu pomocných pohonů. Naprouovou ochranu tvoří přeevším hlavní rychlovypínač (HV), vybavovaný jenak svou vlastní nezávislou naprouovou spouští, jenak reaguje na popu všech ostatních naprouových ochran. Uveeny jsou: naprou na vstupu vozila, naprouy motorových skupin a topení vlaku iferenciální ochrany trakčních a pomocných obvoů (I a Ipp). Diferenciální ochrana reaguje na rozíl prouů, které o obvou vstupují a z něho vystupují, tey přeevším na přeskoky na zem při přejiskření na komutátorech motorů

32 4. Ochrany v trakčním obvou Relé skluzové ochrany (U) reaguje na rozíl mezi napětími na kotvách motorů, které tvoří motorovou skupinu. Při osažení určité velikosti rozílu napětí se jenak aktivuje protiskluzová ochrana, jenak při větším rozílu vypíná hlavní vypínač, aby se přeešlo poškození motoru ve skupině, jehož napětí překročilo bezpečnou honotu. Další (nezakreslené) ochrany se mohou týkat ochrany rozjezových oporníků a/nebo trakčních motorů proti přehřátí (ztráta ventilace) v závislosti na proveení, provozních pomínkách a požaavcích na vozilo

33 5. Stejnosměrná vozila se stupňovým řízením 5 STEJNOSMĚRNÁ VOZIDLA SE STUPŇOVÝM ŘÍZENÍM Počet různých typů stejnosměrných voziel se stupňovým řízením je ohromný, ale s určitým zjenoušením je o obměny, kombinace a zokonalování principů shrnutých v přechozí kapitole. Několik ále uveených příklaů zapojení skutečných voziel bylo vybráno přeevším s cílem ilustrovat aplikaci těchto principů a ilustrovat rozíl mezi principem a jeho technickou realizací. K uveeným příklaům by proto bylo pro plnou srozumitelnost zapotřebí obsáhlejšího komentáře, který je třeba v přípaě potřeby hleat v popisech konkrétních voziel. Zjenoušené schéma trakčních obvoů tramvaje T3 ČKD je na Obr. 3 včetně spínacího programu. Obr. 3 Schéma trakčních obvoů tramvaje T3 s výzbrojí TR37 - ČKD Praha (pole firemního prospektu) (t3.wg) Charakteristickým zařízením je přístroj kombinující oporník s příslušným přepínačem o konstrukčního celku označovaného jako zrychlovač. (Obr. 33 pole [6]). Přepínání stupňů se prováí přitlačováním jenotlivých kontaktů k obočkám na oporníku. Kontakty jsou uspořáány na vnitřní válcové ploše a jsou přitlačovány klakou, jejíž pohyb je řízem elektrickým servomotorem. Počet rozjezových/brzových stupňů v různých proveeních je 99/188 resp. 11/ stupňů a to přestavuje prakticky plynulé řízení, pro vozila MHD velmi žáoucí. Při jízě jsou obě motorové skupiny zapojeny paralelně a z bou A je prou veen přes obě části oporníku zrychlovače a příavné oporníky se stykači R1 a R. Při brzění je trakční obvo opojen o troleje. Motory M1 a M jsou zapojeny o série s buicím vinutím motorů M3 a M4, motory M3, M4 o série s buicím vinutím motorů M1 a M a obě skupiny paralelně ke společnému oporníku zrychlovače jako brzovému oporníku