ELEKTRICKÁ TRAKCE 4. VOZIDLA S ASYNCHRONNÍM TRAKČNÍM MOTOREM

Transkript

1 4..8 ETR4.oc Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem Obsh Doc. Ig. Jiří Dzer CSc. ELEKTRICKÁ TRAKCE 4. VOZIDLA S ASYNCHRONNÍM TRAKČNÍM MOTOREM. vyáí Obsh Asychroí motor Asychroí motor v trkci Prmetry omezeí Výko Otáčivá rychlost Otepleí chlzeí Náhrí schém vlstosti motoru Úplé áhrí schém Zjeoušeé áhrí schém Momet motoru Prcoví režimy trkčí chrkteristiky Prouové pájeí... Npájeí ze stříčů...6. Popis stříče spícími fukcemi...6. Záklí zpojeí jejich vlstosti Zpojeí s prouovým stříčem Zpojeí s pěťovým stříčem Porováí GTO IGBT Ochry stříčů Chrkteristické prmetry stříčů Vyšší hrmoické Hrmoické v motoru Hrmoické v meziobvou Asychroí moulce Moulce Poměry v motoru

2 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem Obsh.4.3 Střívé prouy v meziobvou Elektroymické brzěí Způsoby brzěí Strt brzěí Vstupí obvoy Npájeí ze stejosměré sítě Prouový meziobvo Npěťový meziobvo Npájeí ze střívé sítě Npájeí prouových stříčů Npájeí pěťových stříčů Pulzí usměrňovč Zpojeí vozilech Fukce vlstosti pulzího usměrňovče Řešeí pro prví hrmoickou prouu ve střívém obvou Vyšší hrmoické ve střívém prouu Střívé prouy ve stejosměrém obvoě Vlstosti soustrojí trsformátor - pulzí usměrňovč Obecé áhrí schém obvou Prlelí cho pulzích usměrňovčů Přeszeé řízeí Obecé schém trsformátoru pulzích usměrňovčů Trsformátor bez vzeb Trsformátor s vzbou Příkly voziel Litertur

3 ASYNCHRONNÍ MOTOR Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Shy o použití sychroího motoru pro poho voziel se tují o jeho objevu. Zvláště motor s kotvou krátko přestvovl velice lákvou možost stvby mximálě jeouchého po všech strákách oolého trkčího motoru. Zásí překážkou bylo ž o poměrě eávé oby, že plyulá hospoárá regulce jeho otáček je možá pouze změou pájecího kmitočtu při součsé změě pětí. Přijtelé řešeí tohoto problému přiesl teprve objev poté rychlý rozvoj výroby vypítelých polovoičových součástí, který zároveň osuul o historie všechy jié, mohy ůmyslé systémy. Kromě sychroích motorů se v omezeé míře součsě provozovly provozují i motory sychroího typu. Zá se, že hlvím hcím mometem těchto prcí byl sh o zjeoušeí pájecího měiče. T je všk vykoupe ezbytostí iiviuálího pájeí řízeí kžého motoru, ztímco sychroí motory mohou prcovt (s určitými omezeími) prlelě. Nový impuls v tomto směru může přestvovt použití permetích mgetů ze vzácých zemi pro jejich buzeí. Spolu s tím se zkoušejí i zásě ové kostrukčí kocepce motorů. Z se prosí ukáže blízká buoucost.. ASYNCHRONNÍ MOTOR V TRAKCI Pro trkčí účely se využívjí prkticky výhrě třífázové motory s kotvou krátko pájeé z měičů proměým pětím kmitočtem. Tím se problemtik pohou v zásě přesouvá z motoru ( povozku) o měiče jeho řízeí (o strojovy). Použití sychroího trkčího motoru přiáší výzmé zvýšeí spolehlivosti, protože motor má všechy části, které veou prou plě izolové kompktí kostrukci. Jeho úržb je omeze omzáváí ložisek v poměrě louhých itervlech (př. 5 ž km). Při používáí IGBT trzistorů se při spíáí oshují vysoké pěťové strmosti. Při hootách si 5 V/µs ž 5 kv/µs (es mximum) se již výzmým způsobem upltňují kpcity mezi jeotlivými částmi motoru pro tyto rychlé změy je třeb použít jié áhrí schém ež se pro motory běžě používá které je schémticky zázorěo Obr.. Obr. Motor jeho áhrí schém pro rychlé změy pětí () - 3 -

4 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Tyto velké strmosti vyžují použití speciálích izolčích mteriálů (kpto), jik ochází k rychlé egrci izolce. V ůsleku kpcit, které tvoří kpcití ěliče mezi viutím (přeevším čel) rotorem vzikjí rotoru pětí jk je zřejmé z áhrího schémtu Obr.. Rotor je izolová proti zemi olejovým filmem v ložiscích ve styku zubů převoovky vziká pětí. Poku toto pětí perioicky překrčuje hootu řáově si 5 V, ochází k opkovým průrzům tohoto izolčího filmu to má z ásleek postupé poškozováí oběžé ráhy ložisk egrci mziv. Obojí vee k poškozeí ložisk. Toto ložiskové pětí může osáhout si...7% pětí viutí proti zemi []. motorů, pájeých přímo z trolejové sítě (ž 3 V) je ebezpečí poškozeí i při mlé vzbě zcel reálé. Prostá izolce ložisk (př. proveeí SKF INSOCOAT s µm silou vrstvičkou Al O 3 s izolčí pevostí V) emusí pro ochru stčit, protože v posttě zří o série je lší, poměrě velkou kpcitu jk je zázorěo prvém ložisku Obr... Npříkl pro trmvj Astr je C6 rovo 83 pf pro válečkové 47 pf pro ku ličkové ložisko motorů. Řešeí bízí použití jek hybriích ložisek s kermickými vlivými tělesy (itri křemíku) ebo elektrosttické ostíěí sttoru proti rotoru, proržující komplikující stroj. Celá problemtik je přemětem itezivího vývoje. Jko měičů lze použít v zásě ob hlví typy, pěťový i prouový. Zpočátku převlály měiče prouové s mezifázovou komutcí, protože využívly obyčejé tyristory. Byly užíváy přeevším u voziel MHD jko pokrčováí vývoje pohou se stejosměrými motory, kterému se svými vlstostmi blíží. S rozšířeím vypítelých polovoičových součástí převlály pro celý rozsh výkoů o trmvjí ž po vysoce výkoé lokomotivy stříče pěťové, umožňující použití ejjeouššího plě bezkotktího schémtu trkčích obvoů. Asychroí trkčí motor je sice v pricipu stejý jko běžé motory pro průmyslové pohoy, je všk třeb zůrzit i rozíly, zejmé regulce zjišťuje, že motor prcuje pouze ve stbilí části mometové chrkteristiky (stoupjící), v oblsti mezi ulovým mometem mometem zvrtu; záběrový momet je bezvýzmý pro sížeí ztrát v rotoru se proto používá měěá klec, reverzce se prováí vžy řízeím sleu fází, pájeí z měičů působí zvýšeé ztráty, ochylky tvru prouu o siusovky působí zvlěí mometu, výzmé přeevším při použití prouových stříčů (viz. íl), přirozeá tvrá mometová chrkteristik sychroího motoru se upltí pouze při prlelím pájeí více motorů, vlstosti pohou vcelku určuje regulce (poobě jko u cize buzeého stejosměrého motoru), pro rozšířeí otáčkového rozshu se poobě jko u stejosměrých motorů používá obuzeí ze se výrzě upltňuje omezeí mometem zvrtu. Motory pro pájeí z pěťových (NS) prouových stříčů (PS) se kromě toho olišují ěkterými vlstostmi, příkl - 4 -

5 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor rozptylová iukčost motorů pro PS musí být co ejižší, protože eergie v í kumulová se při komutci přeese o příslušých koezátorů v závislosti jejich velikosti působí pěťové špičky proloužeím komutce i omezeí prcovího kmitočtu, rozptylová iukčost motorů pro NS by s ohleem vyhlzeí křivky prouu byl žáoucí co ejvětší, je le omeze požvkem velikost mometu zvrtu při mximálím obuzeí (viz ále), zvlěí mometu motorů s PS je ejvýrzější při mlých kmitočtech, ke může působit velmi epříjemé rezočí jevy v pohou (obélíkový prou), zvlěí mometu motorů s NS by se mohlo projevit při obélíkovém pětí, které ovšem přichází v úvhu ž v oblsti o jmeovitého kmitočtu horu, ky je kmitočet zvlěí vysoký prkticky eupltí, poobě jko u stejosměrých motorů, pájeých z usměrňovče ebo pulzího měiče (je ovšem možé že se může ostt o rezoce s vlstími kmity ěkterých částí motoru, příkl kruhů spojujících tyče rotoru), tké řízeí pohoů s motory, pájeými z pěťového prouového zroje se zásě liší, řízeí pohoů s PS se blíží pohoům se stejosměrým motorem. Záklím přepisem, který určuje vlstosti jejich ověřeí zkouškmi je orm IEC 349- (993) Elektrická trkce - Rotčí stroje pro kolejová siličí vozil, část Motory střívý prou pájeé z měičů. Poku ebue uveeo jik, bueme v lších kpitolách mít mysli motor pájeý z NS.. PARAMETRY A OMEZENÍ Poobě jko u jiých strojů omezuje vlstosti stroje jek ovoleé otepleí, závislé využití ktivích hmot, použitých izolcích proveeí chlzeí, jek kostrukčí omezeí, příkl ovoleé otáčky ztížeí životost ložisek, upevěí viutí rotujících částech (vliv ostřeivých sil) problémy s přeosem mometu áprvu... VÝKON Záklím prmetrem motoru je jeho výko. motoru, pájeého z měiče je o trvlý výko při pájeí z použitého měiče, protože moulce, tj. způsob vytvářeí pětí motoru ze stejosměrého pětí meziobvou ovlivňuje obsh vyšších hrmoických tey i ztráty otepleí jimi způsobeé. N ruhé strě velikost mometu výkou závisí prkticky pouze velikosti fázovém posuvu prvích hrmoických prouu rotoru mgetického toku (záběru). Proto jsou hooty mometů, otáček t., získé při pájeí motoru siusovým pětím (prouem) celkem věrohoé, ztímco oteplovcí zkoušky otu určeý skutečý jmeovitý (trvlý) výko je uto pole citové ormy určit při pájeí z měičů. Oteplovcí zkoušk při siusovém pájeí má pouze orietčí výzm (př. při porováváí s říve proveeými poobě využitými stroji)... OTÁČIVÁ RYCHLOST Jmeovitá otáčivá rychlost (opovíjící jmeovitému mometu výkou motoru) mximálí otáčivá rychlost uávjí rozsh regulce obuzováím. Výzm tohoto poměru byl sleová již v 3. íle - 5 -

6 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor co bylo uveeo pro stejosměrý motor, pájeý z měičů pltí i u motorů sychroích. V lších ostvcích ukážeme, že čkoliv u sychroích motorů přirozeě eexistuje omezeí obuzeím, přestvuje omezeí mometem zvrtu logické omezeí velikosti mometu v okolí mximálí otáčivé rychlosti to okoce s poobým průběhem. Új o požovém mometu při mximálí otáčivé rychlosti v zásě omezuje shor velikost rozptylových iukčostí motoru je proto ůležitou závcí veličiou ávrhu motoru. Z hleisk mechického ávrhu motoru je mximálí otáčivá rychlost omeze ložisky ostřeivými silmi, působícími rotor při vlstí vetilci tké hlukem vetilátoru mechickou pevostí vetilátoru. Pro sychroí otáčivou rychlost pltí zámý vzth r. 6 f s [ot/mi.] p Meší střeí stroje se ství ejčstěji jko čtyřpólové (p4), velké tké jko šestipólové (p6). Kmitočet opovíjící mximálí otáčivé rychlosti obvykle epřeshuje Hz s ohleem růst ztrát v mgetickém obvou i kyž je stroj v tomto režimu obyčejě silě obuze. Šestipólové stroje mjí ižší jho tey z jik stejých poměrů i větší průměr vzuchové mezery, le meší počet rážek pól fázi (viutí) ižší otáčky pro stejý kmitočet. Hooty mximálí otáčivé rychlosti, které opovíjí uveeým úvhám ukzuje Tb.. Ozčeé hooty opovíjí zhrub ejčstějším přípům. Tb. Mximálí (sychroí) otáčivá rychlost sychroích motorů pro běžé přípy f mx 5 Hz Meší stroje, p ot/mi. Větší stroje, p ot/mi. Pro ložisk je rozhoující jejich ymická úosost, životost o ich lze ovoit mximálí ovoleé otáčky. Dymická úosost se uává v ktlogu výrobců závisí zejmé ruhu velikosti ložisk, přesosti (tolerce), ruh mteriál klece (pro áročé i brozová), teplot při provozu zejmé mzáí. Pro mzáí se může použít plstické mzivo (vseli) ebo růzé ruhy oleje. Účiek mzáí se chrkterizuje součiem (. stř ), který bývá pro mzáí plstickým mzivem,5,. 6 [mm, ot/mi.] pro olej,8 3,. 6 [mm, ot/mi]. Životost přepisuje oběrtel pro vozil MHD se může pohybovt v mezích,6,5 mil. km, u železičích voziel, 3, mil. km. Změou uveeých pomíek lze výchozí úosost i mximálí otáčky výrzě ovlivit. O problemtice ložisek osžitelého převou v růzých přípech bylo pojeáo v. íle. Vzhleem ke kompktímu proveeí rotoru vyecháí komutátoru mohou mít sychroí motory zhrub vojásobou mximálí otáčivou rychlost v porováí s obobými motory stejosměrými, - 6 -

7 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor tkže vyžují z jik stejých poměrů tké vojásobý převo. To v moh přípech vyžuje vojstupňovou převoovku. Tím se ovšem výsleá hmotost pohou s lehkým vysokootáčkovým motorem zvyšuje árůstem hmotosti převoovky zároveň se zmešuje možá xiálí élk motoru Poku je momet o motoru přeáše kloubovým hříelem ebo spojkou může tké teto přeos omezit mximálí otáčivou rychlost...3 OTEPLENÍ A CHLAZENÍ Izolové viutí je pouze sttoru, proto je pro ovoleé otepleí stroje rozhoující ztížeí, chlzeí tří izolce sttoru ( rozíl o strojů stejosměrých, ke bývá kritické otepleí kotvy ebo komutátoru). sychroích strojů je proto tké v zásě možé průběžě měřit teplotu v provozu vhoě umístěým čilem teploty. Otepleí v jeotlivých tříách uává orm, uveeá v kp... Čilo teploty (př. Pt teploměr) musí být uložeo izolově, tkže již z tohoto ůvou jsou jeho úje epřesé. Nejlepší umístěí je si ě rážky mezi rážkovou izolci jhem sttoru uprostře élky sttorového svzku. Kvůli problémům s vývoem přívoů se čilo umisťuje přístupější místo, příkl o vývrtu ve jhu sttoru ebo po báž čel sttorového viutí. Čilo je potom kompktí může se vyměit z vějšku motoru. Spolehlivost újů eí příliš velká. Hlvím problémem je le choulostivost obecě eosttečá životost čiel v provozu v porováím s motorem. Použití více čiel, z ichž ěkterá jsou záloží vychází z pochybého přepoklu, že se čil poškoí fukcí. Ve skutečosti je většiou o mechické poškozeí, přeevším přívoů to je elektrickém využití ezávislé. Měřeí teploty sttoru může sloužit pro ochru motorů proti přehřátí, le jeho výzm je s ohleem to co bylo uveeo strí používáí ejvyšší tříy izolce (C resp. ) je omezeý. Pro korekci prmetrů moelu při vektorovém řízeí měiče by iformce o teplotě - ovšem rotoru - byl velmi užitečá, le stejě jko u stejosměrých motorů je eostupá. Obr. Asychroí trkčí motor pro trolejbus ŠKODA, 6 kw mx ot/mi., zvřeý s věm chlicími okruhy (motor_.tif) - 7 -

8 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Otepleí klece rotoru je omezeo ohley otepleí jiých částí rotoru, zejmé ložisek (mzáí - si C). Jeouchá robustí kostrukce sychroího motoru umožňuje více vrit chlzeí. Nejčstější způsob chlzeí je vzuchem. Vzhleem k úplé izolci viutí ejsou kley tk přísé požvky čistotu chlicího vzuchu. N ruhé strě mjí obecě sychroí motory vyšší hyrulický opor vyžují tey vyšší výko vetilátoru (ť cizího ebo vlstího). Obr. 3 Záklí způsoby chlzeí motorů (chlz.wg) Hlví typy chlzeí jsou uveey v Obr. 3: ) Cizí, smosttým vetilátorem, vhoé pro vozil s čstými těžkými rozjezy (posuovcí lokomotivy). b) Vlstí, vetilátorem hříeli motoru. V tomto přípě existuje zřejmý esoul mezi velikostí ztrát (větší část je úměrá I ) itezitou chlzeí (závisí otáčkách). Je proto vhoé pro vozil, jejichž ztěžovcí cyklus je posttě krtší ež jejich oteplovcí čsová kostt (trmvje). Při vysokých otáčkách roste hluk. Motor může být otevřeý i zvřeý. c) Vlstí, vouokruhové (viz tké Obr. ). V motoru existují v vzuchové obvoy, jee vitří, uzvřeý, ruhý vější otevřeý, hříeli jsou v vetilátory ve sttoru v systémy chlicích otvorů. Motor je zvřeý s povrchovým chlzeím, má louhou oteplovcí čsovou kosttu (tz. mlé kolísáí teploty při cyklickém ztěžováí). Vější chlicí vzuch epřichází - 8 -

9 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor vůbec o styku s viutím. Motory jsou přirozeě větší, le pro zvlášť áročé pomíky trmvjích to může být jeié spolehlivé řešeí (motory jsou v bezprostřeí blízkosti pršé vozovky, ěky se požuje broěí, práce v mokrém, slém prostřeí ebo prchovém sěhu t.). ) chlzeí kpliové (obyčejě voou s přísmi). V tomto přípě je vější otevřeý chlicí obvo hrze kpliovým (ovšem uzvřeým). Vlstosti tohoto proveeí jsou prohloubeím přeešlého řešeí, ovšem z ceu zveeí lšího chlicího méi ( čerpl, chliče). Chlzeí může být společé pro motor i pro měič..3 NÁHRADNÍ SCHÉMA A VLASTNOSTI MOTOR Náhrí schémt jsou výborou pomůckou pro porozuměí záklím vzthům ve stroji. Přestvují ovšem více či méě zjeoušeý mtemtický moel to je třeb mít vžy pměti. Při ávrhu stroje jsou prmetry áhrího schémtu jeím z výsleků výpočtu. Přímo lze změřit je ěkteré z ich (opor sttoru mgetizčí chrkteristiku), jié je třeb ověřit epřímo. Hojě užívé etilě proprcové použití kruhového igrmu má u kmitočtově řízeých strojů je omezeý výzm ebueme se jím zbývt..3. ÚPLNÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA Obecě zámé áhrí schém je Obr. 4. Při tom ω ω je úhlová rychlost, opovíjící sttorovému rotorovému kmitočtu. Obecé řešeí obvou lze lézt v litertuře, pro še potřeby všk eposkytuje osttečě přehleé výsleky. Obr. 4 Úplé áhrí schém sychroího motoru (hsch.wg) Schém pltí pro jeu fázi, prmetry se uávjí pro jmeovitý kmitočet teplotu siusové pětí (prví hrmoickou). Zebává se zejmé závislost hlví iukčosti mgetizčím prouu, která se u motorů, pájeých z NS projevuje v rozshu řízeí pětím je mírě, v obuzeí již zřetelě u strojů, pájeých z PS zásím způsobem, závislost velikostí oporů teplotě obshu vyšších hrmoických v prouu skiefektu, schém vůbec ezhruje vliv mechických ztrát, otáčkově závislých u motorů s vlstí vetilcí poměrě výzmých, závislost ztrát v mgetickém obvou, které jsou respektováy áhrím oporem R fe kmitočtu (otáčkách) pětí

10 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Pro využití možostí uveeého áhrího schémtu je třeb tyto skutečosti lespoň přibližě respektovt: změu hlví iukčosti v poměru sklou sečy mgetizčí chrkteristiky, přepočteím hoot oporů pro sleovou teplotu (oh přívých ztrát je ejistý), mechické ztráty (třeí v ložiscích, třeí o vzuch, spotřeb vetilátoru pro vlstí chlzeí) lze respektovt zmešeím vypočteého mometu (vitří momet) o tyto ztráty s příslušou otáčkovou (kmitočtovou) závislostí, přibližě kvrtickou vzhleem ke jmeovitému bou, poku převžují ztráty vetilčí. Kmitočtovou závislost oporu R fe lze ohout, jestliže přepoklááme výrz f z úměrý mgetickému toku, který je v oblsti řízeí pětím kosttí, přibližou závislost ztrát v železe (hysterezí vířivými prouy) pole vzthu r.,6 P Fe kb f Pro oblst řízeí pětím pk pltí B δ kost., kost. f r. 3 P Fe k. B f,6 δ R Fe R Fe k. B,6 δ f f ~ f,6 f,4 R Fe R Fe jm f f jm,4 pro oblst zeslbováí buzeí ( kost, B δ ~ ) poobě f r. 4 P Fe k. B f,6 δ R Fe R Fe k. B,6 δ f ~ f f,6 ~ f,4 R Fe R Fe jm f f jm,4 tkže výrz pro áhrí opor je v obou režimech poobý (přestvuje je velmi přibližou proximci. Po proveeí zčeých korekcí lze použít úplé áhrí schém pro zjišťováí provozích stvů s přesostí si 5% pomocí vhoých progrmů, které umí operovt s komplexími čísly (př. i Excel)..3. ZJEDNODŠENÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA Jk bylo ukázáo, lze úplé áhrí schém použít jko výchoisko pro umerické výpočty. Protože ám v lším je více o přehleost ež o umerickou přesost, bueme vycházet ze zjeoušeého áhrího schémtu pole Obr. 5. O úplého se liší zebáím sttorového oporu ztrát v železe zpojeím hlví iukčosti přímo pájecí pětí. Sttorovou rotorovou rozptylovou iukčost pk lze sloučit o jeé L L + L. Dál σ σ σ bueme prcovt s úhlovými kmitočty, protože výrzy tk získjí přehleosti místo se skluzem bueme prcovt ze stejých ůvoů zásě s (úhlovým) rotorovým kmitočtem ω. - -

11 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Obr. 5 Zjeoušeé áhrí schém (hrsch.wg) Rotorový opor je rozěle vě části má to hluboký fyzikálí výzm Prví složk R reprezetuje (přepočteý) opor rotorového viutí, který povžujeme z kosttí (závisí ovšem silě otepleí, které může být rotoru vysoké). Ztráty, které ěm průtokem prouu vzikjí ohřívjí rotorové viutí. Druhá část ω ω R je opor fiktiví ztráty, které ěm vzikjí průtokem rotorového ω prouu přestvují výko, který se skutečě z elektrického obvou ztrácí tím, že se měí ve výko mechický (vitří mechický výko motoru). Toto rozěleí je pro pochopeí zásí umožňuje sý výkl řy ůležitých vzthů jk uviíme ále. Tb. Porováí měřeí výpočtu prmetrů motoru ML444K/6 pro 47 Výpočet/měřeí Úplé Zjeoušeé Měřeí Rozměr Kmitočet sttoru 99,93 Hz Kmitočet rotoru,579,579,38 Hz Prou sttoru 5,4 59,6 6,65 Aef Prou rotoru 3,6 38,4 Aef Prou mgetizčí 59,7 6,7 Aef Npětí vitří 6,6 65,4 65,8 Vef Účiík sttoru,8597,8584,8374 Účiík rotoru -,99 -,994 Ztrátový momet 4, Nm Momet Nm Skluz,579,58 Otáčky 988,4 988,4 99 ot/mi. Výko 49, 533,3 5,8 kw Příko 59,4 536,4 kw Ztráty 9,38 3, 5,6 kw Účiost,96,994,9538 Ztráty motoru Sttor W Rotor ,5 9 W Mg. obvo W Mechické 95 W Přívé 367 W Celkem motor 9,38 3, 5,6 kw - -

12 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Zjeoušeé áhrí schém umožňuje jeouché řešeí ukzuje přehleě fyzikálí vzthy mezi veličimi z ceu sížeí přesosti si %. Důslekem zjeoušeí je zejmé, že buzeí stroje (mgetický tok) ezávisí ztížeí (prouu I ), tkže momet vychází větší, hlví iukčost se při ztěžováí eměí (euvžují se úbytky sttorovém viutí, které sižují vitří pětí proti pájecímu), jsou zebáy ztráty ve sttoru, tkže elze sleovt jeho otepleí ebo účiost stroje. Porováí výsleků měřeí, výpočtu pole úplého áhrího schémtu schémtu zjeoušeého pro motor elektrické jeotky 47 je pro ilustrci uveeo v Tb.. Z tbulky lze posouit jek vliv zjeoušeí jeotlivé výsleé prmetry, jek i ochylky přesého výpočtu o výsleků měřeí. Při porobějším pohleu lze tké lépe porozumět ůslekům zjeoušeí příčiám ochylek. Pro hrmoické pájecí pětí (pole kovece reálé) lze ze schémtu přímo psát rovice pro hlví veličiy. Mgetizčí prou je zřejmě čistě jlový závisí je pětí r. 5 I µ jω L h Otu hlví mgetický tok (spřžeí) r. 6 Ψ h L h I µ j ω Otu je viět, že poíl, který se vyskytuje ve vzorcích pro momet reprezetuje při jeho tvorbě ω mgetický tok poobě jko tomu bylo i u stejosměrých motorů. Zároveň otu z uveeých přepoklů plye, že poku se teto poměr eměí, zůstává tok i mgetická iukce ve stroji stálá, poku při stálém (jmeovitém ebo mximálě osžitelém) pětí roste sttorový kmitočet tey i otáčivá rychlost, prcuje motor se zeslbeým buzeím (při stálém pětí klesá mgetizčí prou, protože roste mgetizčí rektce). Pro prou rotoru můžeme rověž přímo psát ω ω R jωlο r. 7 I ω... ω R + jωl R R L j L σ ω + ω + ω σ σ ω Z poílu imgiárí reálé části rotorového prouu plye pro fázový posu rotorového prouu r. 8 Im( I tgϕ Re( I ) ωl ) R σ Pro bsolutí velikost rotorového prouu s použitím r. 8 pk ostáváme - -

13 r. 9 I ω. ω ω. ω R R + ω Lο + tg ϕ Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor ω. ω R ω. ω R ω L + R.cosϕ σ což zčuje ále poroběji sleový výzm fázového posuvu rotorového prouu rotorového oporu při sleováí výzmých vlstostí sychroího motoru. Sttorový prou je á rozílem mgetizčího rotorového prouu pro úprvách ω jωl ο ω R r. I Iµ I j ω L ω h R ω L + ω ο R + ωlο Jlová složk se skláá z mgetizčího prouu jlové složky rotorového prouu, čiá opovíá čiému výkou ztrátám v rotoru (ztráty ve sttoru byly zebáy). Obr. 6 Fázorový igrm pro zjeoušeé áhrí schém (hsch.wg) Zjeoušeému áhrímu schémtu pole Obr. 5 uveeým rovicím opovíá fázorový igrm Obr. 6. Z ěho je mimo jié viět, že úhel α mezi fázory I Ψ h, které ve vektorovém π součiu ávjí momet je rove α ϕ, tkže r. cosϕ siα Momet motoru je tey úměrý r. M ~ Ψ h I Ψh I siα Ψh I cosϕ Otu je výzm úhlu ϕ zřejmý

14 .3.3 MOMENT MOTOR Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor stejosměrého motoru jsou zřetelě vyjářey obě mometotvoré složky, mgetický tok resp. buicí prou, prou v kotvě. Jejich prostorový vzth je á v rozhoující míře proveeím stroje je proto prkticky stálý. sychroího motoru se toto vyjářeí obyčejě eužívá, protože vychází z veliči, které elze skutečém stroji měřit. Ztrácí se tk le vlstí příči jik obecě zámého průběhu mometové chrkteristiky tey i možost lepšího pochopeí ějů ve stroji. V lším se pokusíme kromě strího postupu ovoit výrzy pro momet i jiými cestmi, které ejjeouššími prostřeky ukáží jeotou posttu stejosměrých i sychroích strojů. Vitří výko motoru je rove výkou ztrceému fiktivím oporu ω ω R ( ztrceému ω z hleisk elektrického obvou tj. přeměěého výko mechický). To lze vyjářit vzthem (postupě) r. 3 P M ω m ω ω M p mr ω ω.i ω π ke ω m je mechická (otáčivá) úhlová rychlost, p počet pólpárů m počet fází, tkže pro vitří 3 momet ostáváme velmi obecý vzth, z ěhož bueme opkově vycházet r. 4 M i m p R ω I m p P Cu ω Druhý výsleek ukzuje čsto opomíjeou skutečost, že zvýšeí mometu z jik stejých okolostí je spojeo s árůstem rotorových ztrát (vyšší otepleí, horší účiost) /ebo s poklesem rotorového kmitočtu (skluzu, tvrší chrkteristik, epříjemá zvláště při prlelím zpojeí více trkčích motorů). Z vitřího mometu se kryjí i mechické ztráty, tkže pro momet hříeli pltí r. 5 M h P Mi M M ω mech m ke Pmech jsou mechické vetilčí ztráty. Ztráty v mgetickém obvou jsou v úplém schémtu respektováy zebým oporem R Fe. Tyto výrzy zřejmě pltí i pro úplé áhrí schém. Pro lší úvhy bueme vycházet ze zjeoušeého schémtu zároveň bueme mít pměti přijté přepokly, tkže rozíl mezi M i M h můžeme pro ásleující úvhy zebt s cílem ostt přehleé výrzy. Jestliže osíme o r. 4 z rotorový prou z r. 9 ostáváme po úprvách zámý výrz (Klossův vzth) r. 6 M m p R ω I m p ω Lσ R ω L σ ωl + R σ - 4 -

15 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor V tomto výrzu má počet pólpárů výzm mechického převou, poíl pětí kmitočtu je pole r. 6 mgetický záběr složeý zlomek vyjřuje závislost mometu velikosti rotorového kmitočtu jk je obvyklé. Shrňme tey, že momet závisí rotorovém kmitočtu ω resp. fázovém posuvu rotorového prouu ϕ, poměru ω Ψ h, který je při řízeí pětím kosttí, v obuzováí klesá se čtvercem, rozptylové iukčosti L σ, pro velký momet (i momet zvrtu) by měl být co ejmeší), rotorovém oporu R, který se s teplotou může měit ž v poměru :. Momet zvrtu se z r. 6 obyčejě ovozuje jko extrém tohoto výrzu erivováím se zámým výslekem r. 7 M zv m p ω L σ ke kterému jsme ospěli jistě správou, le poěku formálí cestou. Pro rotorový úhlový kmitočet při mometu zvrtu pltí r. 8 ω zv R L σ,, Poměrý momet,8,6,4 li. proximce prbolou,,,,5,,5,,5 3, Poměrý rotorový kmitočet Obr. 7 Mometová chrkteristiky její možá proximce (tmch.xls) Průběh mometu v poměrých hootách vztžeých momet zvrtu rotorový úhlový kmitočet při mometu zvrtu je á vzthem - 5 -

16 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor r. 9 M M zv ω ω zv ω + ω zv který pltí obecě je zázorě v Obr. 7. Momet zvrtu tey závisí: opět poměru ω Ψ h, který závisí rozměrech stroje, protože při ém pětí otáčkách lze s ohleem syceí ve stroji zvětšit tok prkticky je zvětšeím plochy mezery, tey zvětšeím D /ebo l stroje, opět rozptylové iukčosti L σ, ezávisí R (tey změách teploty); rotorový kmitočet už R závisí. Závislost mometu lze vyjářit i jik. Věujme pozorost posleí části Klossov vzorce (r. 6) uprvme jej oszeím z výrzu r. 8 tgϕ ωlσ. Dostáváme postupě R r. R ω L σ ω L + R σ M m p ω + tg ϕ tg ϕ Lσ R ω L + ω L R σ tg ϕ + tg ϕ σ m p si ω ϕ siϕ L σ siϕ Ze se místo rotorového kmitočtu vyskytuje jko veliči, vyjřující zátěž rotorový úhel. Otu je tké prví pohle zřejmé, že momet roste s jeho růstem ž o φ 45, ky momet oshuje mximálí velikosti, mometu zvrtu. Pk je i úhel α45. Z Obr. 6 (rotor) je viět, že při růstu rotorového prouu se zároveň teto úhel zvětšuje.,, Poměrý momet,8,6,4,, Fázový posuv prouu rotoru [ ] Obr. 8 Mometová chrkteristik v závislosti fázovém úhlu rotorového prouu (tmch.xls) - 6 -

17 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Při úhlu 45 se právě vyrová přírůstek mometu zvýšeím rotorového prouu jeho zmešeí v ůsleku změy vzájemého úhlu toku prouu. Pro momet zvrtu ovšem ostáváme výrz totožý jko v r. 7. Tké pro ω pltí výrz r. 8, jk plye z r. 8 pro ϕ 45. V tomto vyjářeí má zv mometová chrkteristik v poměrých hootách tvr pole Obr. 8. Existuje i možost, jk ojít k výrzu, formálě poobému r.. Kyž o r. 4 osíme z jee rotorový prou z r. 9 uvážíme r. ostáváme postupě pro momet r. R R ω M mp α ω m p i mp. i. cosϕ mp. i cosϕ mpψh. i si ω ω R ω [ Ψh x I ] což je tvr, ve kterém m opovíá počtu fází (rovice jsou ovozey pro jeu fázi), p převou (počet pólů je oprvu á mechickým uspořááím viutí stroje) závork opovíá obecému výrzu pro momet pole r.. Koečě pro ilustrci zkoumejme příp lšího zjeoušeí, ky bychom zebli i rozptylovou iukčost. r. M m p ω m p Lσ R ωl σ ω R ω L σ + R σ ω L + ω R L σ m p ω ω R Výrz pro momet je pk lieárí žáý momet zvrtu by eexistovl. Zřejmě je o obobu mometové chrkteristiky cize buzeého stejosměrého stroje, který sice má iukčost v kotvě, le při stejosměrém pájeí se eupltí. Ve světle přechozího výklu lze říci, že kyž eí iukčost, eochází i ke změě fáze rotorového prouu se změou rotorového kmitočtu úhel mezi rotorovým prouem mgetickým tokem zůstává 9. Z uveeého je viět, že momet i momet zvrtu přímo souvisí s rozptylovou iukčostí rotoru resp. s úbytkem rotorovým prouem opovíjící rektci. Te působí vzrůst fázového úhlu prouu rotoru při růstu ztížeí stroje. Pro mlé prouy v rotoru osteme z r. 6 pro mometovou chrkteristiku tvr ω r. 3 M 3 kost.. ω ω p ω R což je rovice přímky v závislosti ω, která je totožá s tečou skutečé mometové chrkteristiky v počátku (viz Obr. 7). Vztáheme li teto výrz momet zvrtu pole r. 7, osteme přehleé výrzy, ukzující opět výzm rotorového fázového posuu M ω r. 4 ω L σ tg ϕ M R zv Ke stejým výrzům jsme ospěli, kyž jsme zebli iukčost rotoru - 7 -

18 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Mometová chrkteristik pole r. 6 (Klossův vzorec Obr. 7) je křivk 3. stupě proto elze jeouše vyjářit iverzí závislost rotorového kmitočtu mometu. Poku je to v ěkterých přípech potřebé, lze pro stoupjící část mometové chrkteristiky, která jeiá ás u kmitočtově řízeých motorů zjímá použít proximci prbolou, která je pro poměré hooty á výrzem r. 5 M M zv ω ω zv. ω ω zv Průběh proximčí prboly je zázorě v Obr. 7. Výrz r. 5 již umožňuje určeí iverzí závislosti ve tvru (Obr. 9). r. 6 ω ω M zv M zv, Poměrý rotorový kmitočet,8,6,4,,,,,4,6,8, Poměrý momet Obr. 9 Aproximce závislosti poměrého rotorového kmitočtu poměrém mometu (tmch.xls) Otázkám kolem mometu sychroího stroje bylo věováo více pozorosti, protože je o veličiu pro plikce zásí. Momet zvrtu je pro poho omezeím bsolutím rozíl o omezeí prouem, které závisí počátečí teplotě, obě přetížeí chlzeí. Z toho, co bylo ovozeo lze shrout, že kromě počtu fází pólů závisí momet ruhé mociě mgetického záběru, epřímo úměrě rozptylové iukčosti při stálém pětí klesá s ruhou mociou sttorového kmitočtu. Vliv rozptylové iukčosti momet zvrtu byl ovoze zjeoušeě. Pole úplého áhrího schémtu se popsým způsobem (fázovým posuem prouu vůči toku) projevuje pouze rotorová rozptylová iukčost. Sttorová sice tké působí zmešeí mometu zvrtu, le příčiou je úbytek pětí, který í vziká při průtoku sttorového prouu který zmešuje pětí mgetizčí iukčosti (iukové pětí) tey i mgetický tok jko mometotvorou složku. Ob vlivy momet zvrtu se v posttě kompezují

19 Mzv/Mzvjm Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor,5,,5 Mzv/Mzvjm,,5,,995,99,985,,,4,6,8,,,4,6 k Obr. Vliv rozptylových iukčostí momet zvrtu (m_ls.xls) V Obr. je závislost mometu zvrtu kokrétího motoru (ML 444 K/6), vypočteá pole úplého áhrího schémtu z přepoklu, že celková velikost iukčosti L L + L zůstává stálá, le σ σ σ poměr Lσ k se měí. Z výpočtu je zřejmé, že vliv přeeseí sttorové iukčosti epůsobí při L σ jm použití zjeoušeého áhrího schémtu posttou chybu. Zmešováí rozptylové iukčosti má ovšem meze, é jek kostrukčími možostmi, jek ohley pájecí měič, jk bue ukázáo ále. Momet zvrtu při stálém pětí motoru klesá tey s ruhou mociou sttorového kmitočtu, který opovíá přibližě otáčivé rychlosti motoru v obuzeí o trkčích chrkteristik vozil se promítá jko omezující pomík. Mximálí tžá síl tey klesá s rychlostí pole hyperboly ruhého stupě. Momet, opovíjící kosttímu (jmeovitému ebo mximálímu) výkou klesá ve stejé oblsti pole hyperboly prvího stupě, tkže vžy existuje průsečík obou průběhů záleží pouze ávrhu, z teto průsečík leží v oblsti provozích režimů z jkých okolostí se toto omezeí upltí (viz bo A v Obr. )..4 PRACOVNÍ REŽIMY A TRAKČNÍ CHARAKTERISTIKY Mometové chrkteristiky opovíjí po přepočtu přes převo, jeho účiost průměr kol trkčím chrkteristikám z tohoto hleisk se jimi bueme zbývt. Protože se u voziel s sychroími trkčími motory vžy jeá o plyulou regulci, bue ás zjímt přeevším obrys trkčích chrkteristik hrice mezi trvlými krátkoobými režimy. Z oblst regulce pětím povžujeme oblst režimů, ky lze split pomíku Ψ h kost., což s výjimkou ejižších kmitočtů opovíá vzthu kost.. Poku vycházíme ze zjeoušeého ω áhrího schémtu je kosttí i mgetizčí prou, mgetický tok, fázový posuv ϕ, rotorový i - 9 -

20 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor sttorový prou tey i momet. Rotorový kmitočet při tom závisí pouze změách teploty rotorového viutí, která se promítá o změy rotorového oporu. Tto změ může být zčá, pro rozsh provozích teplot př C v poměru :. Jmeovitému prouu motoru tey i jmeovité tžé síle opovíá (při stálém chlzeí!) přímk, která kočí ve jmeovitém boě při jmeovité otáčivé rychlosti motorů resp. rychlosti jízy. Mximálí momet v této oblsti je á mximálím sttorovým prouem, prkticky mximálím prouem příslušého stříče. Te může, le emusí být v celém opovíjícím rozshu kmitočtů (rychlostí) kosttí tomu pk opovíá i tvr omezeí tžých sil. Pro mximálí momet koci regulce pětím vychází vzhleem ke zvětšeému rotorovému kmitočtu otáčivá rychlost ižší ež jmeovitá. Lze ji přibližě určit pole r. 3 resp. r. 4, je li uá skluz ve jmeovitém boě. Momet zvrtu je u trkčích motorů ve jmeovitém boě mohoásobkem jmeovitého, protože stroj musí mít osttečě velký momet zvrtu ještě při zčém obuzeí, tkže pomíky pro zjeoušeí jsou splěy. Pk lze otáčivou rychlost vypočítt jeouše (s ozčeím pole Obr. ) Obr. Výpočet sklou otáčkové chrkteristiky (sklo.wg) Pro bo A, B (jmeovitý) C (hleý) pltí (prostá úměr) r. 7 M M M A B C M M jm mx P ω jm jm M Pjm.3 π jm jm jm M A M A C B C M A 6. f jm p jm C M M C jm ( ) jm Všechy potřebé hooty lze zjistit ze štítku stroje. Při orietčích výpočtech lze okoce počítt, že rychlost koci regulce pětím je přibližě stejá pro jmeovitý i mximálí momet je úměrá sttorovému kmitočtu r. 8 ω ω ωm ω p p - -

21 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Ochylky o skutečosti v ůsleku použitých zjeoušeí jsou mimo to áy velikostí změou účiosti motoru, převou mometových ztrát. Ve skutečosti hrje v přesosti resp. v souhlsu vypočteých měřeých hoot výzmější roli způsob regulce resp. přesost počítčem relizového moelu motoru, který slouží pro vektorové (ebo jié) řízeí. Možosti regulce sttorového pětí jsou omezey pětím stejosměrého meziobvou, z ěhož je motor přes stříč páje. Po osžeí tohoto omezeí zůstává již pětí stálé při lším zvyšováí otáčivé rychlosti (sttorového kmitočtu, rychlosti jízy) se prcuje v oblsti obuzeí. Při vzrůstu ω klesá epřímo úměrě mgetický tok stroje Ψ h ω. Poku je prou sttoru kosttí, je kosttí i zálivý příko motoru. Jeho výko závisí účiíku účiosti (ztrátách), při čemž účiík se mírě zlepšuje v ůsleku poklesu mgetizčího prouu, účiost se zhoršuje v ůsleku vzrůstu mechických ztrát (ztráty v železe se měí v ůsleku vzrůstu kmitočtu poklesu mgetického syceí složitě). Poku bueme zhrub přepoklát, že se zlepšeí účiíku pokles účiosti v rámci přesosti výpočtu kompezují, ostáváme průběh mometu (jmeovitého i mximálího) v závislosti otáčivé rychlosti ve tvru hyperboly, která prochází opovíjícími boy chrkteristik koci regulce pětím. r. 9 P M p ω Rotorový kmitočet při obuzováí poroste. Poku použijeme proximce pole r. 6 roste rotorový kmitočet pole křivky Obr. ž o okmžiku, ky se zče upltňovt omezeí mometem zvrtu. 3, Poměrá tžá síl,5,,5, Omezeí prouem stříče Jmeovitý bo Omezeí mometem zvrtu A,5,,,,4,6,8,,,4,6,8, Poměrá rychlost Obr. Poměré chrkteristiky vozil s sychroími motory (tmch.xls) - -

22 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Průběh chrkteristik s popsými omezeími je v poměrých veličiách Obr.. Jk bylo již ovozeo, klesá při stálém pětí momet zvrtu tey i omezeí tžé síly se čtvercem rychlosti, tkže se s výkoovou hyperbolou protíá v boě A. O rychlosti v tomto boě je mximálí momet omeze ikoli mximálím prouem motoru (měiče), ýbrž mometem zvrtu toto omezeí musí regulce respektovt., Poměrá tžá síl,5 I Jmeovitý bo, f,5 f,,,5,,5, Poměrá rychlost Obr. 3 Závislost jeotlivých veliči poměré rychlosti (tmch.xls) Ve skutečosti musí být momet regulcí omeze říve, př. při osžeí 8 9 % očekávého mometu zvrtu, eboť jeho ktuálí hootu elze bezpečě určit. Průběh osttích veliči poměré rychlosti pro stejé pomíky je Obr. 3 (měřítko f f je zvoleo tk, by průběhy byly zřetelé)..5 PRODOVÉ NAPÁJENÍ Prouový zroj pro pájeí trkčího motoru přestvuje ejčstěji prouový stříč. Te je ovšem páje z lšího měiče (vstupího, příkl pulzího) te ze zroje kosttího (ebo lespoň omezeého) pětí ( vozilech ejčstěji ze stejosměrého pěťového meziobvou). Tím je omeze rozsh, v ěmž má pájeí prouového stříče ooprvy chrkter prouového zroje. Prouový chrkter zroje je á jek tlumivkou (pro krátkoobé změy prouu), jek prouovou regulčí smyčkou vstupího měiče, pochopitelě pouze v omezeém rozshu. Náhrí schém sychroího motoru, pájeého ze zroje prouu pole Obr. 4 ) je formálě totožé se schémtem Obr. 4, i kyž se požvky ěkteré prmetry motoru pro pájeí z prouového stříče liší o požvků motor, určeý pro pájeí z pěťového stříče. Týká se to přeevším rozptylové iukčosti jk bylo uveeo v úvou. - -

23 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor Obr. 4 Náhrí schém motoru při pájeí ze zroje prouu (ps.wg) Vlstosti motoru se všk zásě liší. Přeevším eí pro sleováí záklích vzthů třeb uvžovt veličiy L σ R, protože ieálí prouový zroj, který přepoklááme, je vžy schope vyrovt úbytky prouem I těchto čleech požový prou motoru ot. Neje tey o zebáí těchto veliči v tom smyslu, v jkém jsme ho použili v přecházejících ostvcích, ýbrž přičteí těchto veliči k ekoečé vitří impeci prouového zroje (což se přirozeě eprojeví). Npětí svorkách motoru je ovšem o příslušý úbytek vyšší ež pětí vitří ( hlví iukčosti). Pro vyšetřováí pk ostáváme schém pole Obr. 4 b), které je poobé zjeoušeému schémtu pole Obr. 5, všk místo pětí je á vuceý prou I, místo součtu rozptylových iukčostí se počítá pouze s rozptylovou iukčostí rotoru. Pro teto obvo ( siusové průběhy resp.. hrmoickou) pltí r. 3 j ω L j ω L I I h h I µ j ω L h ( I + I ) j ω ( L + L ) L h h + L I σ σ ω + R ω L j ω L σ ω + R ω oku ostáváme pro prou rotoru prou mgetizčí r. 3 I I R j ω L h + j ω L I µ I + I I R R + j ω L + j ω L σ Otu je viět záklí vlstost prouově pájeého motoru, že totiž kžá změ ztížeí (tz. ω ) zmeá eje změu rotorového prouu, le i prouu mgetizčího tey i změu hlvího mgetického toku. T ovšem emůže probíht příliš rychle proto jsou ymické vlstosti motoru při prouovém pájeí obecě posttě horší /ebo ároky regulčí obvoy větší ež u motoru pájeého z pěťového stříče. voziel se to projevuje příkl při skluzu áprvy. Pro momet pltí stejý obecý vzth (r. 4) s oszeím z I ostáváme r. 3 M m p R ω R ωlh Lh I m p I m I p ω ωl + R L ω L R R + ω L což je vzhleem k ω výrz poobý výrzu pro momet pěťově pájeého motoru (r. 6) poobý je ovšem i výrz pro momet zvrtu opovíjící kmitočet - 3 -

24 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor r. 33 M zv m p h I L L r. 34 ω zv R L R L + L h σ V porováí s obobým výrzem pro pěťové pájeí (r. 8) je zřejmý rozíl ve jmeovteli, ke se yí vyskytuje L Lh + L σ místo půvoího L σ + Lσ. Momet je posttě větší opovíjící kmitočet při mometu zvrtu výrzě meší. N ruhé strě poku je zroj schope ot prou motor ho (lespoň po potřebou obu) tepelě vyržet, eí momet zvrtu jik omeze (r. 3). Tk je tomu ovšem i u pěťového pájeí, poku by ebylo omezeo pětí. Obr. 5 Zjeoušeé áhrí schém fázorový igrm při prouovém pájeí (ps.wg) Pro přehleý popis chováí motoru při pájeí z prouového zroje sleujme ještě zjeoušeé áhrí schém pole Obr. 4, ke je zebá rotorová rozptylová iukčost. Úhel mezi vektorem toku rotorového prouu α je trvle 9 jestliže motor ztěžujeme při stálém prouu I pohybuje se bo A po půlkružici. Při tom se měí opovíjícím způsobem poměr prouu I I µ ěm závislý tok. Je zřejmé, že při chou prázo je celý vuceý prou prouem mgetizčím. Opovíjící výrzy pro prouy i momet osteme z říve ovozeých výrzů oszeím L σ resp. L L h. Ozčíme li logicky k r. 8 r. 35 tg ω L I ω L h h ϕ ke I I Iµ I R Iµ R + ωlh + R + R ω Lh lze logii formálě rozšířit i lší závěry kpitoly.3. S přihléutím k Obr. 5 je ovšem zřejmé, že v tomto přípě je φ úhel mezi prouy ikoli mezi pětím prouem. Pozmeejme, že i v tomto přípě je momet zvrtu osže pro ϕ 45, ovšem pouze v přípě, kyby se hlví iukčost stroje se ztížeím tké eměil. To ve skutečosti epltí proto i velikost mometu zvrtu tk jko osttí veličiy závisí průběhu mgetizčí chrkteristiky, kterou je tto iukčost urče. Výrz pro momet lze i v tomto přípě uprvit klsický tvr. Pole schémtu Obr. 5 zřejmě pltí r. 36 R ω I ω j ω L h µ jω Ψh I j Ψh I Ψh R I ω ω R - 4 -

25 pro momet z r. 3 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Asychroí motor R r. 37 M m p I m p Ψh I ω Z toho, co bylo právě uveeo je viět, že čkoliv mezi vzthy, popisující chováí motoru při pájeí ze zroje pětí zroje prouu existuje výrzá formálí logie, je příkl příči existece mometu zvrtu v obou přípech růzá i kyž jsou výrzy poobé. Při pěťovém pájeí je příčiou fázový posu rotorového prouu vůči toku, způsobeý rozptylovou iukčostí rotoru (proto tké při jejím zebáí mometová chrkteristik momet zvrtu evykzuje), i kyž se upltňuje i určité zeslbeí hlvího toku v ůsleku poklesu vitřího pětí úbytky sttorové rektci. Při prouovém pájeí je příčiou mometu zvrtu obuzeí stroje zmešeím poílu buicího prouu při ém prouu vuceém. Proto zebáí rotorové iukčosti v tomto přípě emělo mometovou chrkteristiku zásí vliv. Tyto skutečosti jsou pk příčiou velmi olišého chováí v obou přípech pájeí

26 NAPÁJENÍ ZE STŘÍDAČŮ Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Npájeí ze stříčů Při použití sychroích motorů pro trkci je ezbyté je pájet pětím ebo prouem promělivé velikosti kmitočtu. Zrojem jsou měiče, jejichž zpojeí pro výkoy, které v trkci přicházejí v úvhu jsou es v zásě strí pro pěťový i prouový typ. Řízeím stříčů je uto zjistit rozjez vozil z kliu mximálím mometem změou kmitočtu při plém poli, rozjez v oblsti zeslbeí pole, změu směru točeí (reverzci) zprvil tké oporové ebo rekuperčí brzěí. Popisem měičů, jejich fukce řízeí se ebueme zbývt, změříme se kromě stručého přehleu plikce pro vozil jejich specifiku ěkteré lší problémy. Npětí geerové měiči obshuje kromě záklí hrmoické tké řu vyšších hrmoických. Tyto hrmoické složky v pětí jsou zrojem hrmoických prouů v motoru. Vyšší hrmoické v pětí působí árůst ztrát v železe, poku se projevují jko špičky tké zvýšeé máháí izolce mohou buit zákmity (vlové jevy) přívoech ve viutí. Vyšší hrmoické v prouu působí árůst ztrát ve viutí, mometové zvlěí hluk. Velikost hrmoických závisí moulci, způsobu, jkým se vytváří spíáím pětí meziobvou průběh s požovou velikostí kmitočtem záklí hrmoické motor, mometálím prcovím režimu iukčostech motoru. Motor spotřebovává ebo vyrábí eergii spotřebovává k tomu ztrátovou eergii. Výmě eergie se oehrává mezi mechickým výstupem stejosměrým meziobvoem. Stejosměrý obvo je ovšem schope oávt ebo oebírt pouze čiý výko. Pro buzeí sychroího ( kžého jiého) motoru je třeb výko jlový. Te v šem přípě oává koezátor meziobvou, kterém průtokem střívého prouu vziká úbytek. Te přestvuje zvlěí meziobvou určuje v ém přípě utou velikost koezátoru. Měiče jsou složey ze spících součástí jsou ty elieárím obvoovým prvkem. Proto jsou schopy měit kmitočtové vlstosti průběhů, tkže mezi kmitočtovým složeím prouů v motoru v meziobvou epltí zlek jeouché vzthy i přípě, že se zbýváme ieálě ustáleým stvem perioickým pájeím.. POPIS STŘÍDAČE SPÍNACÍMI FNKCEMI Pro popis ěkterých měičů složeých z ieálích spících součástí lze zvést spící fukce ozčové ále g (t) (viz skript ETR I, íl 3). Stručě zopkujme, že tto fukce může bývt pouze hooty ebo je tey á okmžiky, v ichž stává změ. Způsob, jkým moeluje chováí ieálí spící součásti je zřejmý. Její použití je poměrě obecé, my ho bueme pozěji používt přeevším pro popis ustáleých provozích stvů. N Obr. 6 je větev stříče, sklájící se ze vou GTO T T4 vou io D D4. Kžé tkové vojici lze přiřit spící fukci postupem pole Obr. 6 tk, že poku je je z této vojice - 6 -

27 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Npájeí ze stříčů součástí voivá má příslušá spící fukce hootu v opčém přípě hootu. Hootu bývá spící fukce g (x), příslušá ke vojici T, D v okmžiku seputí T opk. Spící fukce g 4 (x), opovíjící T4 je zřejmě egcí spící fukce g (x), protože v provozích stvech vzhleem k iukčosti motoru musí fázový prou protékt buď horí ebo olí vojicí součástí zároveň esmí protékt oběm součsě (přerušový prou se euvžuje). Ve větvi tey pltí ( x) g ( x) g ( x) Obr. 6 Větev stříče její spící fukce (.wg) g 4 4, tkže pro popis jejího chováí stčí jeiá spící fukce, z kterou zvolíme spící fukce horí poloviy g (x)g A (x). Obr. 7 Ozčeí proměých (.wg) Cílem ásleujících úvh je určeí průběhu fázového pětí motoru při ém způsobu řízeí (spící fukce) v obecém tvru. S ozčeím pole Obr. 7 pltí pro větvová pětí r. 38 u u A B ( x) g ( x) g ( x) [. g ( x) ] ( x) [. g ( x) ] u ( x) [. g ( x) ] A B A A C C Pro určeí vzthu mezi větvovými fázovými pětími použijeme strího postupu. Pltí r. 39 u u u N N N u u u A B A u u u AN BN CN Po sečteí ostáváme - 7 -

28 r. 4 3 u u + u + u ( u + u + u ) N A B C Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Npájeí ze stříčů AN BN CN Poku je stroj i pájeí symetrické je závork v r. 4 rov ule po oszeí z r. 39 ostáváme pro vychylovcí pětí 6 r. 4 u [ ( g + g + g ) 3] N A B C Pro fázová pětí pk z r. 4, r. 39 r. 4 ostáváme výrzy (v iexech jsou ále vyechá N ) r. 4 u u u A B C ( x) [ g ( x) g ( x) g ( x) ] ( x) [ g ( x) g ( x) g ( x) ] ( x) [ g ( x) g ( x) g ( x) ] A B C B C A C A B O spících fukcích i o pětí meziobvou ebyly učiěy žáé přepokly, tkže r. 4 pltí zcel obecě. Její výzm tkví přeevším v tom, že uveeý tvr lze použít v lších mtemtických opercích (příkl při hrmoické lýze) pro určeí hrmoických složek fázového pětí při zlosti áhrího schémtu pro jeotlivé kmitočty i pro určeí hrmoických složek fázového prouu. Poku je zám průběh fázového pětí jko výsleek hrmoické lýzy můžeme použitím áhrího schémtu fáze motoru určit i opovíjící složky fázového prouu i ( x) i ( x) i ( x), A B, z ich střívé složky prouu meziobvou, viz př. Obr. 5. Ty jsou ůležité jek jko příči zvlěí pětí meziobvou při jejich průtoku koezátorem meziobvou, jek jko příči rušeí v pájecím obvou. V této souvislosti jsou ůležité přeevším prouy o ízkém kmitočtu, protože ich prcují zbezpečovcí zřízeí železic (5Hz, 5 Hz, 75 Hz, 75 Hz) o obobé kmitočtové oblsti spjí vlstí kmitočty vstupích LC filtrů přes které jsou u stejosměrých voziel meziobvoy čsto pájey (ebezpečí rezočích jevů). Tké určeí prouů v meziobvou lze s výhoou využít spících fukcí. Obecě zřejmě pltí, že prou v meziobvou i ( x) je á součtem prouů o těch fází, které jsou s ím v ém okmžiku stříčem klé ebo záporé svorky spojey (součet vstupích ebo výstupích prouů stříče). Tuto skutečost ovšem vyjřují právě spící fukce, tkže obecě lze psát r. 43 i ( x) g ( x) i ( x) + g ( x) i ( x) g ( x) i ( x) A A B B + C Celá metoik výpočtu při použití hrmoické lýzy (vyžuje se perioicit všech průběhů lierit) je porobě popsá v []. Řešeí je zřejmě možé pouze pro ějký kokrétí příp výsleky buou uveey ále. Sm meto je poměrě obecá poku se epoužije hrmoická lýz, le přímo čsové průběhy veliči může sloužit i při vyšetřováí přechoových jevů, poku jsou oržey pomíky použití spících fukcí (tey příkl e pro průrz větve). Nopk v ěkterých přípech (sychroí moulce viz ále) lze vystčit pro přibližý výpočet s leko jeouššími postupy, které poskytují lepší fyzikálí ázor ež prát hrmoické lýzy. C C - 8 -

29 . ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ A JEJICH VLASTNOSTI Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Npájeí ze stříčů V této části bueme přepoklát pájeí ze stejosměrého zroje, buď přímo z troleje přes vhoý filtr LC ebo ze vstupího měiče. Vstupím měičům bue věová smosttá kpitol... ZAPOJENÍ S PRODOVÝM STŘÍDAČEM Strším es pro ová vozil zřík používým stříčem je prouový stříč. Jeho přeostí byl přeevším možost využít v zpojeí s mezifázovou komutcí pouze střeě rychlých tyristorů, bez zhášecích obvoů, jeouché řízeí s oěleými regulátory prouu (v prouovém zroji, pulzím měiči ebo řízeém usměrňovči) kmitočtu (ve stříči), široké možosti využití zpojeí, ověřeých vozilech se stejosměrými motory. Možost ( to ikoli je teoretická) prosté áhry stejosměrého motoru prouovým stříčem sychroím motorem je ejlépe ptrá ze záklího zpojeí tkových voziel - Obr. 8. Jeá se v tomto přípě o zpojeí, ozčeé ve 3. íle jko zpojeí se zkřížeými iomi. V obou přípech je o prouové pájeí (kotvy ebo stříče+sychroího motoru). Zpojeí umožňuje oporové brzěí /ebo rekuperci, stejým způsobem jk bylo popsáo u motorů stejosměrých. Obr. 8 Záklí schém vozil s prouovým stříčem (strice.wg) Poobě jko u voziel se stejosměrými motory se vozilech užívjí pro pájeí více motorů růzá zpojeí. Hlví přípy jsou schémticky zázorěy Obr. 9. Prouový stříč může pájet v ebo více prlelě zpojeých motorů (A). Pk se ovšem pro rozěleí zátěží mezi imi upltí jejich přirozeá tvrá chrkteristik stejě jko při pájeí z pěťového stříče. Vrit B) ukzuje sériové zpojeí měičů, které opovíá sériovému zpojeí stejosměrých trkčích motorů používá se v obobých přípech ( stejosměré síti 3 kvss) má tké obobé vlstosti, příkl při skluzu jeoho z motorů (viz 3. íl). Obr. 9 Vrity zpojeí s více motory (vr_st.wg) - 9 -

30 Elektrická trkce 4 - Vozil s sychroím trkčím motorem. Npájeí ze stříčů Koečě zpojeí C) je obobou zpojeí motoru o vojité hvězy (viz ále), ky je jee motor se věm sttorovými viutími páje ze vou stříčů, zpojeých v sérii. N rozíl o ále popisového zpojeí motorů s vojitou hvězou, pájeých z pěťových stříčů je řízeí obou stříčů v tomto přípě obvykle fázově posuuto o 3 el. o stejý úhel jsou posuuty i osy obou systémů viutí. Při tkovémto uspořááí může prostorový vektor sttorového prouu zujímt záklích poloh rozíl o šesti při obyčejém zpojeí. To působí zmešeí mometového zvlěí, které je při ízkých otáčkách závžou evýhoou motorů s prouovým stříčem. Nevýhoou prouových stříčů je utost použití vou měičů, protože v prxi prcujeme vžy ze zroje pětí prouový zroj je uto regulcí vytvořit. Při tom je ovšem ve své fukci zrojem pětí omeze. N ruhé strě jsou vstupí měiče prkticky zkrtuvzoré, protože i v ormálím provozu mohou (při rozjezu) o zkrtu provozě prcovt. Ochr zřízeí vstupím měičem je proto jeouchá, rychlá spolehlivá. Tké prouové stříče mezi tím prošly vývojem, který ěkteré výše uveeé evýhoy ostrňuje ebo lespoň omezuje. Přesto se ztím teto stříč o trkce evrátil. Rychlý rozvoj pohoů s pěťovým stříčem ho posuul ve všech ohleech (proprcováí způsobů řízeí, ochr i relizce) o omití polohy hromá plikce silě způsobil jk ceu tk i jeho obecé hooceí... ZAPOJENÍ S NAPĚŤOVÝM STŘÍDAČEM Toto zpojeí je v součsé obě strem. Vzhleem k výkoům se relizuje buď s GTO tyristory ebo es již převážě s IGBT trzistory. Záklí schém při použití pěťového stříče je Obr.. Obr. Záklí zpojeí s pěťovým stříčem (strice.wg) Při brzěí je vžy o rekuperci záleží pouze okolostech, z ky se v motorech vyrobeá eergie vrátí o sítě ky je mře v brzovém oporíku. Pro řízeí brzy je ( rozíl o prouového stříče) uto použít (brzový) pulzí měič pro řízeí efektiví velikosti brzového oporu. Hlví zpojeí pro více motorů vozilech jsou Obr.. Prlelě (A) lze zpojit i více trkčích motorů (existují vozil se 6 prlelě zpojeými motory - rkouská lokomotiv 63 Eli), jejich prlelí cho všk lze zjistit pouze oržováím poměrě přísé tolerce průměry kol tkto poháěých áprv. Přijtelé ěleí zátěží prouů vyžuje reltivě větší skluz tey i ztráty otepleí v rotoru, které tey veou k motorům s horší účiostí. To je ce z úspory stříčích