Elektryczne silniki trakcyjne

Silnik elektryczny często uważany jest za najważniejszą część pojazdu trakcyjnego - bez niego nie mógłby on jechać. Silniki kolejowe charakteryzują się bardzo dużą mocą, około 750 - 1200 kW. Na sieci PKP zasilane są prądem stałym.

Silnik trakcyjny lokomotywy EU07

Silnik składa się z części ruchomej, nazywanej wirnikiem i części nieruchomej - stojana. Zarówno w wirniku jak i w stojanie znajduje się uzwojenie elektryczne wykonane z drutu miedzianego. Uzwojenie jest zagłębione w odpowiednio uksztatowanych żłobkach, których głównym zadaniem jest kształtowanie linii sił pola magnetycznego.

Silnik prądu stałego

Silnik trakcyjny prądu stałego jest maszyną komutatorową, tzn. prąd do uzwojeń wirnika dostarczany jest za pośrednictwem szczotki trącej o segmenty komutatora. Szczotki wykonane są ze spiekanego grafitu. Odznaczają się dość dużą twardością i dobrym przewodnictwem elektrycznym. Są to elementy najbardziej zawodne w całym silniku. Z powodu ścierania trzeba je dość często wymieniać. Ponadto na styku szczotka-komutator powstaje iskrzenie przyczyniające się do szybszego zużycia powirzchni komutatora i powodujące straty energii.

Szczotka (znajduje się pod czerwonym uchwytem) dotykająca komutatra w silniku trakcyjnym

Komutator, jak widać na zdjęciach, zbudowany jest z ułożonych promieniowo płytek miedzianych. Koniec każdej płytki (twz. chorągiewka) jest połączona z odcinkiem uzwojenia wirnika. Wirnik, obracając się, powoduje że prąd płynie przez kolejne uzwojenia powodując ciągłą pracę
.
Uzwojenie wirnika i stojana jest połączone szeregowo, dzięki czemu przepływa przez nie taki sam prąd. Silniki zasilane są z sieci napięciem 3kV w ten sposób, że zawsze zasilana jest para silników połączona w szereg. Każdy z silników otrzymuje więc napięcie 1500 V prądu stałego. Rozwiązanie to ma na celu ograniczenie napięcia na silniku, gdyż bardzo trudno jest wytworzyć sprawny silnik DC na tak wysokie napięcie. Wymagałoby to zastosowania między innymi bardzo grubych przewodów uzwojeń i ciężkiej izolacji elektrycznej.

Wirnik silnika trakcyjnego

Wirnik ma budowę segmentową, a poszczególne części są połączone wciskowo. Ma to pomóc w naprawach i demontażu silnika. Uzwojenia znajdujące się w żłobkach są zabezpieczone na swoim miejscu tkaniną bądź tworzywem sztucznym - tzw. bandażem.

Stojan wykonany jest najczęściej ze staliwa. Jest to duży korpus, wewnątrz którego obraca się wirnik. W środku stojana umieszczone jest uzwojenie stanowiące źródło siły motorycznej - pole magnetyczne wirnika jest odpychane przez pole wytwarzane w stojanie.Uzwojenie składa się z uzwojenia głównego, odpowiedzialnego za główny strumień magnetyczny, uzwojenia pomocniczego i kompensacyjnego. Uzwojenie kompensacyjne ma polepszyć pracę silnika, zapewniając jego płynną pracę.

Uzwojenie stojana silnika trakcyjnego

Silnik trakcyjny prądu stałego jest silnikiem z przewietrzeniem obcym. Oznacza to, że do jego chłodzienia używany jest strumień powietrza wytwarzany przez wentylatory na lokomotywie.

Silnik asynchroniczny prądu przemiennego

Silnik prądu stałego jest ciężką i dużą maszyną. Jego wadą jest też wysoki koszt wytworzenia i napraw (wynika to przede wszystkim z dużej długości zastosowanych uzwojeń z miedzi). Dużą wadą są duże straty energii podczas przesyłu prądu stałego i konieczność stosowania kabli miedzianych, które są drogie. Silniki prądu stałego są za to bardzo łatwe w sterowaniu i rozruchu, co przesądziło o ich użyciu na wielu kolejach. Do niedawna sterowanie silnikiem prądu przemiennego o dużej mocy było bardzo trudne, co wynikało głównie z braku odpowiednich urządzeń elektronicznych dużej mocy.

Obecnie we wszystkich nowoczesnych pojazdach trakcyjnych instaluje się silniki asynchroniczne prądu przemiennego. Są one dużo ekonomiczniejsze niż silniki prądu stałego, można uzyskać większą moc przy wymiarach porównywalnych z silnikiem DC, są one tańsze i mają prostszą budowę.
Podstawową zaletą tych silników jest brak komutatora. Nie występuje tu więc iskrzenie. Ponadto nie ma tutaj ciężkich uzwojeń wirnika. Zamiast tego zastosowano aluminiową "klatkę" z prętów - stąd nazwa silniki klatkowe. Ich asynchroniczność polega na tym, że pole magnetyczne stojana wiruje zawsze szybciej niż pole indukowane w wirniku. Im większa różnica tych prędkości, tym większy moment napędowy. Jeśli prędkości te zrównają się, wówczas tzw. poślizg silnika s=0 i moment napędowy M=0.

Przekrój przez silnik asynchroniczny prądu przemiennego

Silnikami asynchronicznymi steruje się przede wszystkim za pomocą zmiany częstotliwości prądu zasilającego. Im większa częstotliwość, tym większa prędkość obrotowa. Do rozruchu takiego silnika służą układy tyrystorowe GTO albo tranzystorowe IGBT. Przez przerywanie prądu układy te ograniczają temperaturę silnika i chronią przed jego przepaleniem podczas rozruchu.

Silniki asynchroniczne montowane są też na wózkach nowoczesnych pojazdów spalinowych.

Na jednej lokomotywie znajduje się zwykle tyle silników, ile jest osi. Napęd przenoszony jest z wału silnika na zestaw kołowy za pośrednictwem przekładki zębatej. Duże koło zębate zwykle zamontowane jest na stałe na wale drążonym lokomotywy, a małe na wale silnika.

Silniki spalinowe | Przekładnie gł. | Elektr. silniki trakcyjne | Odbieraki prądu | Układ przeniesienia napędu

zrobione w: