INFO KOLEJ - forum kolejowe :: Temat: Połączenie silników w pary na polskich lokomotywach

INFO KOLEJ - forum kolejowe

Tabor - Połączenie silników w pary na polskich lokomotywach

Tawot - 12-06-2014, 00:24
Temat postu: Połączenie silników w pary na polskich lokomotywach

Witam mam pytanie jak w temacie. Jak wyglądają takie pary w poszczególnych lokomotywach i dlaczego akurat tak? Jakie zasady obowiązują w numerowaniu silników, oraz kiedy silniki są połączone szeregowo a kiedy równolegle? Tak wiem, że dla części forumowiczów to pytania z kategorii tych głupich, ale spora część, w tym także i ja będziemy wdzięczni, za przybliżenie podstaw budowy taboru. W internecie szukałem, ale jakoś precyzyjnych informacji nie znalazłem. Wszystkim którzy się znają na temacie i którym się chce odpowiedzieć, z góry bardzo dziękuję.
Pozdrawiam
Tawot

Jarul - 12-06-2014, 02:52
Temat postu:

A więc...

Troszkę wstyd, by człowiek interesujący się kolejnictwem tego nie wiedział. Ale ja też kiedyś nie wiedziałem, więc z wielką przyjemnością pomogę. To będzie długi tekst, w którym pokażę działanie lokomotyw różnych systemów - co najważniejsze, oczywiście, naszego.

Zaczynamy od podstaw. Lokomotywa (albo EZT) służy do tego, by nią jeździć, z różnymi prędkościami. Potrzebne są więc silniki elektryczne i jakiś sposób ich sterowania. W kolejnictwie powszechnie stosuje się silniki szeregowe prądu stałego (obecnie w nowych lokomotywach dominują silniki asynchroniczne, ale o tym później). Silniki szeregowe, a zatem uzwojenie stojana (nieruchome) i wirnik są połączone szeregowo. Prąd dociera do wybranych uzwojeń wirnika przez komutator, który samoczynnie przełącza te uzwojenia wirnika by praca silnika była ciągła, a nie zatrzymał się on (szczotki węglowe dotykają do wzajemnie izolowanych działek komutatora i prąd płynie). Silnik szeregowy ma duży moment rozruchowy, co pozwala mu łatwo ruszyć z miejsca i rozpędzić pociąg, dlatego go stosujemy w kolejnictwie. Ale ma jedną paskudną cechę. Kiedy wirnik stoi bądź porusza się wolno, opór elektryczny silnika (jego uzwojeń) jest bardzo niewielki. Gdyby podłączyć go na napięcie sieci (3000/2 V, u nas silniki są na 1500V, więc trzeba je połączyć przynajmniej po 2 szeregowo, uzyskując właśnie 1500V) , popłynąłby bardzo duży prąd, i całość w zasadzie by się sfajczyła. Kiedy zaś wirnik wiruje z dużą prędkością, powstaje w nim siła elektromotoryczna skierowana przeciwnie do napięcia sieci. Opór elektryczny samych uzwojeń jest nadal mały, nie zmienia się, ale zjawiska magnetyczne w rozpędzonym silniku sprawiają, że stawia prądowi duży opór, i prąd mieści się już w rozsądnych granicach, a silnik może spokojnie pracować i napędzać pociąg.

Mamy więc problem - trzeba podać napięcie na silniki, aby ruszyć i jechać, ale nie można tego zrobić, bo opór stojących silników jest mały i się spalą. Jak to rozwiązać? Skoro opór uzwojeń silnika jest mały, to trzeba wprowadzić zewnętrzny opór w obwód, w postaci oporów rozruchowych. Obniżają one napięcie na silnikach i mogą one płynnie, z właściwym dla siebie prądem ruszyć.

W praktyce pokażę to na przykładzie siódemki. EU07 ma cztery silniki trakcyjne na napięcie 1500V. Po przestawieniu nastawnika na poz. 1 silniki są połączone wszystkie 4 szeregowo, i w obwód włączone są wszystkie opory rozruchowe. Prąd jest zatem niewielki. Lokomotywa pomału rusza. Pierwsze pozycje służą zasadniczo do naciągnięcia składu. Kiedy maszynista przestawia nastawnik pozycję wyżej, zwierana (omijana, de facto wyłączana) jest sekcja oporów rozruchowych i prąd rośnie. Załóżmy, że maszynista osiągnął pozycję, na której ma prąd rozruchu 400 A i zatrzymał nastawnik, bo tyle właśnie chciał. Pociąg będzie ładnie przyspieszał, a ponieważ zajdą zjawiska opisane na wstępie, wraz ze wzrostem prędkości prąd będzie spadał. Aby go utrzymać, maszynista stopniowo przestawia nastawnik na coraz wyższe pozycje, eliminując kolejne sekcje oporów rozruchowych. W końcu, dochodzi do pozycji szeregowej bezoporowej, przy której wszystkie opory są wyeliminowane - silniki pracują na napięciu 750V (3000/4). Tylko pozycje bezoporowe są trwałymi pozycjami jezdnymi - ponieważ długa jazda na stopniach oporowych może skończyć się spaleniem oporów. Opory nie ograniczają prądu w jakiś magiczny sposób, tylko po prostu część energii (dalej pokażę jaka) zamienia się w ciepło. W siódemce opory są chłodzone wentylatorami, zasilanymi ze spadku napięcia na jednym z oporów rozruchowych - im większy prąd zada maszynista, tym większy spadek i napięcie na wentylatorach i kręcą się one szybciej - stąd ten piękny dźwięk siódemki. Ale tak czy siak trwała do jazdy jest tylko pozycja bezoporowa, gdyż długa jazda na stopniach oporowych jest zwyczajnie głupia - bo część energii zamiast rozpędzać pociąg, ogrzewa opory i powietrze.

Na pozycję szeregową bezoporową da się wejść w siódemce przy ok. 30 km/h. Dalej maszynista może: 1) zastosować bocznikowanie, tzn. Osłabić wzbudzenie silników (część prądu omija uzwojenie stojana i płynie od razu na wirnik - powoduje to wzrost prądu i rozpędzanie silnika, i pociągu) - bocznikowanie też ma stopnie (w EU07 - 6) i jest bezstratną metodą regulacji prędkości - w oporach bocznikowania wydziela się w sumie około 2 kW mocy, co przy mocy lokomotywy 2000 kW jest pomijalne. Bocznikować można tylko na pozycjach bezoporowych - jest specjalna blokada mechaniczna dźwigienki bocznikowania, ponadto tylko tak ma to sens. Bocznikowanie na układzie szeregowym daje niezbyt szybki przyrost prędkości, stąd maszynista może:

2) przy bocznikowaniu na 0 (pełne wzbudzenie) przestawić nastawnik (koło) z szeregowej bezoporowej na pozycję dalej - włączając silniki na układ szeregowo-równoległy (zwany równoległym, R). W nim silniki połączone są w 2 grupy po 2 silniki szeregowo, grupy zaś są połączone równolegle, dlatego na silniku mamy wtedy nie 3000/4 V tylko 3000/2 V - 1500V. Ale przy 30 km/h opór silników jest jeszcze mały i załączenie im 1500V doprowadziłoby do przekroczenia dopuszczalnego prądu (tak jak przy ruszaniu z miejsca na układzie S). Dlatego w obwód znów są wtrącone opory rozruchowe ograniczające prąd. Włączone w 2 gałęziach, tak jak są 2 grupy po 2 silniki. I znów maszynista chcąc prowadzić rozruch z 400A przestawia nastawnik na kolejne pozycje (eliminując sekcje oporów rozruchowych) tak szybko, by utrzymać te swoje 400A (bo wraz ze wzrostem prędkości, jak już wiemy, maleje prąd). W końcu, przy około 60 km/h można osiągnąć ostatnią pozycję nastawnika - równoległą bezoporową, przy której silniki dostają 1500V bezpośrednio (opory wyeliminowane). Pozycja ta, podobnie jak szeregowa bezoporowa jest trwałą, ekonomiczną pozycją jezdną. Aby rozpędzać się intensywniej, również na R można bocznikować. Boczniki należy włączać tak szybko, by utrzymać żądany prąd.

Po co jest przełączanie silników? Ten sam efekt możnaby uzyskać włączając silniki od razu na układ R i dochodząc oporowo do prędkości 60 km/h. Układ byłby prostszy, ale wtedy, przy rozruchu 0-60 km/h (do wyłączenia ostatniego opornika) aż 50 % energii zmieni się w ciepło na oporach - zmarnuje. W naszym przypadku, przełączania czterech silników z układu szeregowego na równoległy, w czasie rozruchu od zera, do równoległej bezoporowej, tylko 1/3 energii ogrzeje opory. Zatem jest to ekonomiczniejsze. Dzięki przełączaniu silników oszczędzamy energię. Lokomotywa EU07 ma łącznie 14 ekonomicznych stopni jazdy - dwie pozycje bezoporowe i po sześć boczników na każdym układzie (S i R).

Lokomotywa ET22 ma sześć silników (notabene identycznych jak EU07). Rozruch odbywa się analogicznie co do zasady, tylko ma 3 fazy: 1) S - wszystkie silniki szeregowo - napięcie 3000/6, 2) SR - silniki w grupach po 3 - napięcie 3000/3, i 3) R - silniki w grupach po 2 - napięcie 3000/2. W takiej lokomotywie w czasie pełnego rozruchu (od ruszenia do równoległej bezoporowej) tylko 25% energii ogrzewa oporniki. Ponadto ET22 ma aż 21 ekonomicznych (bezoporowych) stopni jazdy - trzy pozycje bezoporowe i po sześć boczników na każdym układzie (S, SR i R).

Mała uwaga odnośnie EZT (EN57. EN71 itd.). Mają one ściśle zdefiniowaną masę (do lokomotyw można przyczepiać pociągi o różnych masach, stąd potrzeba ręcznego sterowania rozruchem), dlatego można zastosować rozruch samoczynny. Przykładowo nastawnik EN57 (4 silniki, jak siódemka) ma następujące pozycje: 0, P,S, R, B1, B2, B3. Zero, to zero. P - przetok, jazda na układzie S z wszystkimi oporami rozruchowymi (uwaga - w EZT nie mają one wentylatorów, stąd na pozycji P można jechać tylko kilka sekund, i trzeba dać chwilkę ostygnąć oporom). P służy do manewrów i bardzo wolnej jazdy. Kolejne pozycje oznaczają rozruch na układzie szeregowym, równoległym i z trzema możliwymi stopniami bocznika. Gdy maszynista ustawi nastawnik w pozycji S, nastąpi samoczynny rozruch aż do pozycji szeregowej bezoporowej. Wał kułakowy, sterowany przekaźnikiem samoczynnego rozruchu przejdzie przez wszystkie pozycje oporowe i zatrzyma się na szeregowej bezoporowej. PSR pozwala na przestawienie wału kułakowego na następną pozycję, gdy prąd spadnie poniżej wartości prądu rozruchu (można wybrać 2 - na drugiej to chyba 172 A, na 1 mniej, i EZT rozpędza się wolniej). Analogicznie na R dojdziemy do równoległej bezoporowej. Ruszając z przystanku maszynista może dać nastawnik od razu na B3 i wał kułakowy przejdzie przez wszystkie pozycje szeregowe, następnie styczniki przełączą silniki na układ R, znów pozycje oporowe R i na końcu wtrącone zostaną boczniki. Samoczynnie. Jadąc EN57 wyraźnie czuć wskakiwanie kolejnych pozycji, zwłaszcza przełączenie z S na R. Jak usiądziemy w środkowym przedziale środkowego członu przy szafce NN to można posłuchać jak wał chodzi po pozycjach: kluk, kluk... I cechy szczególne EZT - nie da się bocznikować na szeregu (z nielicznymi przypadkami przeróbek - bocznikowanie na S przydaje się w górach i niewielka liczba EZT je ma). Oraz, wał kułakowy obraca się tylko w jedną stronę, stąd nie działa cofanie pozycji. Na lokomotywach pozycje można przestawiać "do góry i w dół". Natomiast na EZT nie - przykładowo jadąc na R i chcąc przejść na S trzeba pierw dać nastawnik na 0 i dopiero nastawić S. Wtedy obwód się rozłączy, wał przejdzie przez wszystkie pozycje (ale bez prądu!!) i ustawi na zerze, a następnie wykona rozruch do pozycji S. Oczywiście jak jedziemy szybko, to pozycje oporowe mija bardzo szybko.

Na tym dziś kończę bo zarwałem kawał nocy, ale lubię nieść wiedzę kolejową. Polecam książki o poszczególnych seriach pojazdów (EU07 itd.) - na Chomiku, portal transportszynowy.pl, a także książkę "Pojazdy elektryczne" - nie pamiętam autora. I te pozycje plus własne zrozumienie są źródłem mojego wywodu. Jak znajdę czas to opiszę jak to wygląda w pojazdach prądu przemiennego, a także jak działa rozruch impulsowy.

Tawot - 12-06-2014, 10:59
Temat postu:

Witaj, wielkie dzięki za obszerny opis. Oczywiście jak zauważyłeś, to wstyd! Więc wstydzę się jak diabli.
A na poważnie, wiele z rzeczy o których pisałeś rozumiałem wcześniej, ale np. świetnie opisałeś zasadę działania boczników. Jednak być może źle skonstruowałem pytanie. Chodziło mi o numerację silników od strony kabiny A 135, od B 246 czy tak? I w jakich parach, a na et22 w trójkach i parach współpracują i dlaczego tak a nie inaczej? I jeszcze z jakiego powodu za pierwszą pozycją bez oporową mówimy o połączeniu sz-r, a za drugą już o połączeniu równoległym. W obu przypadkach są one połączone szeregowo - równolegle, tylko w inne grupy.
Dzięki wielkie, pozdrawiam.

Taurus - 12-06-2014, 11:27
Temat postu:

Cytat:

Chodziło mi o numerację silników od strony kabiny A 135, od B 246 czy tak? I w jakich parach, a na et22 w trójkach i parach współpracują i dlaczego tak a nie inaczej?

Zawsze liczy się od kabiny A. Zazwyczaj jest to numeracja 1-2-3-4-5-6. To co podałeś 1-3-5-2-4-6 to jest numeracja dla ET22.
Podam przykład dla byka:
jazda szeregowa 1-3-5-2-4-6
jazda szeregowo równoległa 1-3-5 + 2-4-6
jazda równoległa 1-3 + 5-2 + 4-6

Silniki 1 i 3 oraz 4 i 6 są połączone w parę a 5 i 2 są indywidualnymi i następnie w zależności od kombinacji połączenia na stycznikach są konfigurowane kombinacje połączeń j.w.
Dla innych lokomotyw np. ET21 jest ta sama analogia z tym że w porządku 1-2-3-4-5-6.

A dlaczego tak a nie inaczej ? Nie wiem, myślę że nie ma to większego znaczenia, więc producent tak zrobił dla wygody i logiki. Silniki teoretycznie po naprawie lokomotywy powinny mieć charakterystykę identyczną.

Cytat:

I jeszcze z jakiego powodu za pierwszą pozycją bez oporową mówimy o połączeniu sz-r, a za drugą już o połączeniu równoległym. W obu przypadkach są one połączone szeregowo - równolegle, tylko w inne grupy.

Nie jest to logiczne z elektrycznego punktu widzenia. Ale to chodzi o pary silników, których jest 3. Tak jak wyżej pisałem 1-3 + 4-6 + 5-2, z tym że ta ostatnia jest rozłączalna mówiąc kolokwialnie i może zostać "wypożyczona" do sąsiednich grup Smile

. Te dwie pierwsze są połączone trwale. I wtedy masz tak że:
Jazda szeregowa - 3 pary silników połączone szeregowo
Jazda szeregowo równoległa - 2 gałęzie 3 silnikowe w układzie szeregowo równoległym z rozdzieloną trzecią parą
Jazda równoległa 3 pary dwusilnikowe połączone równolegle.

Dlatego też jest tak że jak nawali silnik nr 1, to jazdę można kontynuować tylko z 4 silnikami, jeżeli odłączymy 1 silnik to i automatycznie 3 silnik, mimo że jest on sprawny. itd. itp

Tawot - 12-06-2014, 11:58
Temat postu:

I to jest rewelacyjna odpowiedź. Mogę śmiało powiedzieć, że teraz już wiem i nie muszę się wstydzić. Tobie Taurusie dziękuję serdecznie, za poświęcony czas, podobnie jak i Tobie Jarul. Szybko i na temat. Jednak na forum Infokolej.pl można liczyć.
Wielkie dzięki!

ps
A swoją drogą ciekawe... Jasne, że nie ma to większego znaczenia, może dla warsztatowców, ale lokomotywy, wszystkie rodzimej produkcji, a Byk ma parzystą numeracje silników z jednej, a nieparzystą z drugiej strony, podczas gdy inne lokomotywy mają po kolei 1,2,3,4.

Jarul - 12-06-2014, 16:05
Temat postu:

W kwestii boczników. Ja wczoraj opisałem boczniki w dość uproszczony, choć prawdziwy sposób. Bocznikowa regulacja ma ścisły związek z SEM indukowaną w wirującym wirniku skierowaną przeciwnie do napięcia sieci. Ogranicza ona prąd silnika - dzięki temu możemy w pewnym momencie odłączyć opory i jechać bezoporowo, ale w miarę wzrostu prędkości prąd maleje i przyspieszanie jest już niemrawe. Dlatego trzeba jakoś obniżyć to SEM wirnika. A można to zrobić osłabiając wzbudzenie. Wskutek zbocznikowania uzwojenia stojana jego pole magnetyczne maleje, i maleje też indukowana SEM. A skoro ona jest mniejsza, mniej przeciwstawia się napięciu sieci, i prąd rośnie, lokomotywa żwawo przyspiesza. To jest istota regulacji bocznikowej. Wspomina się o "bocznikach indukcyjnych". One są oczywiście w obwodzie, natomiast nie odgrywają zasadniczej roli w samym bocznikowaniu, bo do niego wystarczą zwyczajne oporniki bocznikowania. Boczniki indukcyjne służą do tego, aby nie dopuścić do iskrzenia na komutatorze w trakcie załączania kolejnych stopni bocznikowania. Gdybyśmy załączali tylko oporniki bocznikowania, to rosnący prąd szybko narastałby w gałęzi bocznika i wirnika, zaś w gałęzi uzwojenia stojana wolno, co doprowadziłoby do chwilowego osłabienia wzbudzenia znacznie głębszego niż ma ten dany stopień, i iskrzenia na komutatorze, fatalnym dla silnika. Wprowadzenie do obwodu bocznika indukcyjnego powoduje wyrównanie tempa narastania prądu - wzbudzenie obniża się tylko do pożądanego poziomu i komutacja jest dobra. Co ciekawe, w EN57 pierwszy stopień bocznikowania to dwa oporniki i bocznik, drugi - jeden opornik i bocznik, zaś trzeci stanowi tylko bocznik indukcyjny, bez oporników.

A bysiu w ogóle jest dosyć dziwny - pewnie dlatego, że powstał na podstawie wielu podzespołów z EU07. Przykładowo prądnice przetwornic mają aż po 17 kW, a na byku sprężarki są zasilane wysokim napięciem, więc te 17 kW jest niepotrzebne. Ale mamy zunifikowane maszyny za to.

Z tym wstydem to tak żartobliwie było Smile

, najważniejsze, że pogłębiasz swoją wiedzę. Ja podobnie to robiłem, tylko już jakiś czas temu. I pytania też nie były zbyt mądre. A książka o której wspomniałem to "Pojazdy Elektryczne" Skibickiego. Zawiera dużo ogólnych informacji o różnych rozwiązaniach kolejowych pojazdów elektrycznych. Zaś szczegółowe - no to już książeczki poszczególnych serii.

Kamil - 17-06-2014, 11:59
Temat postu:

Jarul napisał/a:

...
(...)
Bocznikować można tylko na pozycjach bezoporowych - jest specjalna blokada mechaniczna dźwigienki bocznikowania, ponadto tylko tak ma to sens.
(...)

Nieprawda - na EU07 nie ma blokady mechanicznej.

Taurus napisał/a:

Nie na wszystkie ET22 miały numerację w ten sposób.

Taurus napisał/a:

Silniki 1 i 3 oraz 4 i 6 są połączone w parę a 5 i 2 są indywidualnymi i następnie w zależności od kombinacji połączenia na stycznikach są konfigurowane kombinacje połączeń j.w.

Nie na wszystkich ET22 w ten sposób.
Łączone były: 1+5, 2+6 a indywidualne były 3 i 4

Wszystko w zależności od numeru kolejnego wyprodukowanej ET22 i od późniejszych modernizacji.

Tawot - 17-06-2014, 20:27
Temat postu:

Kamil napisał/a:

Nie na wszystkich ET22 w ten sposób.
Łączone były: 1+5, 2+6 a indywidualne były 3 i 4

Wszystko w zależności od numeru kolejnego wyprodukowanej ET22 i od późniejszych modernizacji.

Jeśli chodzi o ET22, to do numeru 27 było tak jak piszesz: (1)(5)(3)---(4)(2)(6)
powyżej tego numeru natomiast: (1)(3)(5)---(2)(4)(6)