Rozruch elektrowozu metodą zmiennonapięciową

Charakterystyka I(w,U) (gdzie "I" oznacza chwilowy pobór prądu, "U" przyłożone napięcie, a "w" (omega) - prędkość obrotową wirnika silnika elektrycznego) nakłada konieczność dokonywa- nia jego rozruchu, czyli czynności mających na celu przygotowanie silnika, do pracy z określoną prędkością obrotową. Problem polega na ograniczeniu wartości prądu, płynącego przez uzwojenia silnika, w chwili przyłożenia napięcia (prąd rozruchowy jest nawet do pięciu razy wyższy, niż prąd roboczy). W trakcyjnych pojazdach szynowych, napędzanych silnikami elektrycznymi - stosuje się jedną z dwóch metod regulacji prędkości obrotowej silników trakcyjnych: zmiennonapięciową (rozruch oporowy), lub impulsową (rozruch tyrystorowy). Ta ostatnia - jest metodą stosunkowo nową, możliwą do zastosowania, dzięki rozwojowi elektroniki, a szczególnie - jej zastosowania w obwodach dużych mocy. Polega ona na zasilaniu silników trakcyjnych prądem zmiennym, o prze- biegu prostokątnym (występują dwie wartości napięć: zerowe i znamionowe silników trakcyjnych, ze znakiem dodatnim), stopniowo zwiększając częstotliwość impulsów zasilających. Metoda zmien- nonapięciowa, jest metodą najstarszą, najprostszą i najtańszą w budowie, jednak najbardziej nieekonomiczną i kłopotliwą w utrzymaniu. W nowoczesnych konstrukcjach, można ją spotkać, jedynie w drezynach, spalinowych lokomotywkach manewrowych do 300 [KM] z przekładnią elek- tryczną, oraz elektrycznych lokomotywkach manewrowych, zasilanych z baterii akumlatorów - gdzie koszt zastosowania układów elektronicznych dużych mocy, jest nieporównywalnie większy niż oszczędności, związane z ich użytkowaniem. Jednak metoda zmiennonapięciowa, była jedynym sposobem wykonania rozruchu silnków trakcyjnych, we wszystkich rodzajach pojazdów szyno- wych, napędzanych elektrycznymi silnikami trakcyjnymi, jeszcze w latach siedemdziesiątych XX w. Jej idea jest bardzo prosta: do układu silników trakcyjnych w początkowej fazie przyłaczone zostają szeregowo rezystory (opory rozruchowe), które wywołują spadek napięcia, dzieląc pełne napięcie zasilające, pomiędzy siebie i układ silników trakcyjnych, które zasilone napięciem obni- żonym - powodują powstawanie odpowiednio obniżonego mementu napędowego, a tym samym zmniejszenie wartości prądu, przepływającego poprzez uzwojenia silników trakcyjnych. Nadmiar energii tracony jest na oporach rozruchowych i zamieniany w ciepło. Wyjaśnia to nieekonomi- czność metody, w której większość pobranej w fazie rozruchu energii, jest energią traconą. Metodę tę, można wyjaśnić, na przykładzie powszechnie stosowanych na PKP lokomotyw o ukła- dzie osi Co'Co'. Elektrowóz ten wyposażony jest w sześć szeregowych silników trakcyjnych prądu stałego, o napięciu znamionowym Un = 1500 [V]. Ponieważ mówimy o lokomotywach systemu DC 3000 [V] - silniki zgrupowane są w pary (połączone szeregowo). Żądany moment napędowy uzys- kuje się, poprzez dokonywanie przełączeń w układzie silników, wybierając jeden z trzech, przewi- dzianych przez producenta układów: szeregowy, szeregowo-równoległy, lub równoległy. Na tarczy nastawnika jazdy (którym dokonuje się przełączeń), znajduje się określona ilość pozycji, zgrupo- wanych w trzech kolejnych zespołach połączeń. Po przestawieniu nastawnika jazdy z pozycji zero do pierwszej - silniki zostają połączone w układ szeregowy, a ponadto - do obwodu zostają przyłą- czne wszystkie opory rozruchowe (również szergowo, zarówno względem siebie, jak i układu silni- ków). Przestawienie nastawnika na kolejne pozycje, powoduje ominięcie (wyłączenie z obwodu) kolejnych oporów rozruchowych, tzn.; zmniejszenie stosunku spadku napięcia na oporach, do spadku napięcia na układzie silników. Po wyłączeniu z obwodu ostatniego rezystora, układ silników zostaje zasilony pełnym napięciem sieci trakcyjnej i jedynymi stratami energii, są już tylko straty wewnętrzne silników trakcyjnych (w odniesieniu do samego układu elektromechanicznego - pomi- jam straty mechaniczne wynikające z trakcji pociągu). Jest to stan pracy lokomotywy, do jakiego należy dążyć i w jakim należy prowadzić pociąg - pozycje jazdy na oporach należy wykorzystywać tylko i wyłącznie do rozruchu, t.j. przygotowania silików do pracy w określonym układzie. Gdy prędkość obrotowa wirników silników trakcyjnych (i tym samym prędkość pojazdu) osiągną po- ziom, pozwalający na dokonanie przełączenia w układzie silników - co przejawia się spadkiem poboru prądu do odpowiednio niskiej warości - można dokonać takiego przełączenia, przestawiając nastawnik jazdy w kolejną, pierwszą pozycję drugiego układu. Zmiany w obwodzie wyglądają na- stępująco: Układ połączeń silników trakcyjnych zostaje zmieniony z szeregowego, na szergowo-równoległy, a szeregowo do niego - zostają ponownie przyłączone wszystkie opory rozruchowe. Dalsza metodyka postępowania jest analogiczna jak w przypadku układu szeregowego: Przesta- wienie nastawnika jazdy w kolejne pozycje powoduje wyłączenie z obwodu kolejnych rezystorów i opisaną wcześniej zmianę stosunku spadków napięć. Po uzyskaniu odpowiednio wysokiej pręd- kości obrotowej wirników silników trakcyjnych, w stanie jazdy bezoporowej, można dokonać przełączenia układu szergowo-równoległego w równoległy. Ponieważ jednak trzy rodzaje układów nie tylko nie zapewniają odpowiedniej płynności zmiany momentu napędowego, a w przypadku prowadzenia ciężkich pociągów - uniemożliwiają przełączanie układu silników, z powodu zbyt du- żych różnic poboru prądu pomiędzy stanem jazdy bezoporowej układu niższego, a stanem jazdy z wykorzystaniem wszystkich oporów układu wyższego - należało wprowadzić rozwiązanie, mające na celu zmianę momentu napędowego, w obrębie jednego układu silników trakcyjnych. Problem rozwiązano przez umożliwienie bocznikowania silników trakcyjnych. Bocznikowanie może się odby- wać tylko w stanie jazdy bezoporowej, niemożliwa jest również zmiana układu połączeń, gdy nastawnik bocznikowania nie jest w pozycji zero. Bocznikowanie szeregowego silnika trakcyjnego polega, na włączeniu do obwodu rezystora - równolegle do uzwojenia wzbudzenia. Powoduje to osłabienie strumienia elektromagnetycznego przepływającego przez wirnik silnika i tym samym wzrost jego prędkości obrotowej. Daje to możliwość regulowania prędkości pociągu w szerokim zakresie, bez konieczności cyklicznego dokonywania przełączeń w układzie silników - w zależności od zadanej prędkości i obciążenia lokomotywy, wykonuje się rozruch do momentu, w którym silniki trakcyjne zostaną połączone w odpowiedni układ i zasilone pełnym napięciem sieci trakcyjnej. Regulacji - mającej na celu utrzymanie zadanej prędkości na szlaku o zminnym profilu, dokonuje się zmieniając stopień bocznikowania. Opisana metoda jest metodą niewątpliwie najprostszą i najtańszą w budowie. Jednocześnie bardzo nieekonomiczną, ze względu na sposób wytracania energii. Pociąga to zasobą jeszcze konsekwencje socjologiczne, sprowadzające się do odpowied- niego przygotowania personelu obsługującego taki pojazd, ponieważ jego wydajna i ekonomiczna obsługa, wymaga dużego doświadczenia i znajomości konkretnego pojazdu - szybkość i moment dokonywania przełączeń jest czynnikiem, który ma zasadniczy wpływ na efektywność pracy loko- motywy: Dokonywanie przełączeń zbyt szybko (przy dużym poborze prądu), powoduje zwiększe- nie strat energii, na oporach rozruchowych, grozi ponadto przekroczeniem największej dopusz- czalnej dla danego typu silników wartości prądu, co prowadzi do przerwania obwodu, przez urzą- dzenia zabezpieczające i konieczności wznowienia rozruchu. W przypadku zbyt wolnego dokony- wania przełączeń - rozruch zostaje niepotrzebnie wydłużony i ilość energii traconej na oporach rozruchowych również jest odpowiednio wyższa. Ponadto istnieje zagrożenie wynikające z profilu linii, oraz warunków pogodowych - może się bowiem okazać, że uzyskany moment napędowy podczas wydłużonego rozruchu, jest zbyt mały, aby pokonać dany łuk, lub wzniesienie (rozruch odbywa się zazwyczaj w stacjach, gdzie tor jest zwykle prosty, a pochylenie nie przekracza 2.5°/oo, po wykonaniu którego pociąg musi się zmierzyć z warunkami panującymi na szlaku, na który wyjeżdża). Problem ten rozwiązano częściowo, stosując rozruch samoczynny, gdzie maszy- nista obsługujący pojazd, na tarczy nastawnika jazdy, ma tylko pozycje, oznaczające określony układ - rozruchu (czyli kolejnych przełączeń na pozycjach oporowych i zmian układu z niższego na wyższy) dokouje automatycznie zastosowany system rozruchowy, na podstawie danych z urządzń pomiarowych (wartość prądu, siły pociągowej, prędkości pojazdu, itp.), oraz zadanych kryteriów (zadanej wartości prądu, siły pociągowej, prędkości, lub przyspieszenia pociągu, zadanego układu połączeń, itp.). Nie eliminuje to oczywiście całkowicie ewentualnego błędu ludzkiego, ponieważ o kryteriach przełączeń decyduje zawsze człowiek, ale zapewnia usunięcie niedokładności, wynika- jących z niedoskonałości zmysłów ludzkich, oraz ma znaczenie socjologiczne - odciążając maszy- nistę obsługującego pojazd, pozwalając na większe skupieniu uwagi, na innych czynnościach.