Charakterystyka trakcyjna i metody sterowania pracą obwodu głównego pojazdu

Niezależnie od typu pojazdu i systemu napięcia zasilającego proces rozruchu i regulacji prędkości jest prowadzony w taki sposób, aby uzyskać właściwą charakterystykę trakcyjną, czyli zależność siły pociągowej w funkcji prędkości F = f(v). Najlepiej dostosowana do potrzeb i cha-rakteru pracy większości pojazdów trakcyjnych okazała się tzw. „charakterystyka szeregowa”, przed-stawiona na rys. 3.1. Taki kształt zapewnia dużą wartość siły pociągowej w początkowym etapie rozruchu i tym samym dobrą wartość przyspieszenia, a jednocześnie możliwe jest osiągnięcie

większych prędkości, dla których wartość siły pociągowej jest wystarczająca do pokonania opo-rów ruchu. Charakterystykę o takim kształcie zapewniają w sposób naturalny stosowane naj-wcześniej do napędu pojazdów silniki szeregowe prądu stałego (stąd nazwa). Wykorzystywanie innych rodzajów maszyn elektrycznych wymaga takiego sterowania ich pracą, aby otrzymać kształt zależności jak najbardziej zbliżony do tego optymalnego z punktu widzenia zastosowań trakcyjnych. Charakterystykę trakcyjną można podzielić na cztery obszary pracy, a mianowicie:

Rys. 3.1. Charakterystyka trakcyjna i jej ograniczenia

I – obszar pracy ze stałym momentem M = const. W tym obszarze występuje ograniczenie zwią-zane z maksymalną siłą rozruchową Fmax, która wynika z dopuszczalnej wartości prądu rozruchowego silnika;

II – obszar pracy na granicy przyczepności. Wynikający z siły przyczepności Fμ, która jest zależna od rodzaju materiału użytego do wykonania szyn oraz obręczy kół, a także ich stanu tech-nicznego i warunków zewnętrznych takich jak: zabrudzenia, wilgoć, oblodzenie itp.;

III – obszar pracy ze stałą mocą P = const. Praca w obszarze regulacji ze stałą mocą rozpoczyna się w chwili, gdy wartość napięcia na silnikach trakcyjnych osiągnie założoną wartość maksymalną, mniejszą lub równą dopuszczalnej wartości napięcia. W tym obszarze war-tość mocy jest ograniczona maksymalną dopuszczalną mocą ciągłą silnika, związaną z je-go wytrzymałością cieplną;

IV – obszar pracy z ograniczeniem mocy. Obszar ten jest związany z ograniczeniami wynikającymi z minimalnej wartości wzbudzenia w przypadku silników szeregowych, oraz maksymalnej dopuszczalnej wartości poślizgu dla maszyn asynchronicznych.

Dodatkowym ograniczeniem charakterystyki trakcyjnej jest najwyższa dopuszczalna pręd-kość pojazdu – vmax, wynikająca z maksymalnej prędkości obrotowej silników trakcyjnych zwią-zanej z ich wytrzymałością mechaniczną, a dla maszyn komutatorowych związana również z koniecznością zapewnienia prawidłowej pracy komutatora.

Sterowanie pracą obwodu głównego pojazdu trakcyjnego może odbywać się w sposób bez-pośredni i bez-pośredni. Przy sterowaniu bezbez-pośrednim wszystkie czynności łączeniowe w obwodzie głównym i pomocniczym pojazdu są wykonywane urządzeniami i aparatami napędzanymi ręcz-nie przez prowadzącego. Jest to najprostszy sposób sterowania, jednak zakres jego stosowania

.

jest ograniczony ze względu na wysokość napięcia i moc sterowanych silników. Jako orientacyjne gra-nice stosowalności można przyjąć prąd o wartości około 200 A, przy napięciu 600 ÷ 750 V DC. Przy wyższych wartościach prądu płynącego w obwo-dzie głównym urządzenie sterownika zajmowałoby zbyt wiele miejsca i wymagałoby zbyt dużego wy-siłku fizycznego do operowania nim. Z kolei dla wyższych wartości napięć nie byłyby zachowane warunki bezpieczeństwa, gdyż wiązałoby to się z doprowadzeniem wysokiego napięcia w pobliże stanowiska pracy prowadzącego pojazd. Sterowa-nie bezpośredSterowa-nie wykorzystywane jest główSterowa-nie w starszych typach tramwajów i trolejbusów. W po-jazdach nowo budowanych ten typ sterowania nie jest obecnie stosowany. Schemat ideowy, pokazu-jący zasadę sterowania bezpośredniego,

przedsta-wiono na rys. 3.2. Przy sterowaniu pośrednim wszystkie czynności łączeniowe w obwodzie głównym i pomocniczym pojazdu dokonywane są aparatami wyposażonymi w urządzenia napę-dowe uruchamiane przez prowadzącego za pomocą specjalnego układu, zwanego obwodem

sterowania. Idea tego rodzaju sterowania pokazana została na rys. 3.3. Sterowanie po-średnie może odbywać się w sposób nieau-tomatyczny, tzn. taki, gdzie każde kolejne przełączenie urządzeń w obwodzie głównym jest uwarunkowane dokonaniem przez pro-wadzącego odpowiedniego przełączenia w obwodzie sterowania, oraz w sposób automa-tyczny, gdzie cały szereg przełączeń w obwo-dzie głównym, następujących kolejno po sobie z uwzględnieniem czasu koniecznego dla ich dokonania, uzyskuje się za pomocą specjalnych układów sterowania, które pracu-ją same bez udziału prowadzącego. Metoda sterowania pośredniego umożliwia realizację tzw. sterowania ukrotnionego, czyli jednocze-snego prowadzenia kilku sprzężonych ze sobą pojazdów trakcyjnych tego samego typu z jednej kabiny sterowniczej. Systemy pośrednie nieautomatyczne wykorzystywane są powszechnie w lokomotywach starszych generacji. Sterowanie automatyczne dominuje w zespołach trakcyjnych i pojazdach komunikacji miejskiej. W nowoczesnych pojazdach wszystkich rodzajów stosowane jest wyłącznie sterowanie pośrednie automatyczne, gdyż inne metody sterowania pracą układów przekształtnikowych są niemożliwe do zrealizowania.

jest ograniczony ze względu na wysokość napięcia i moc sterowanych silników. Jako orientacyjne gra-nice stosowalności można przyjąć prąd o wartości około 200 A, przy napięciu 600 ÷ 750 V DC. Przy wyższych wartościach prądu płynącego w obwo-dzie głównym urządzenie sterownika zajmowałoby zbyt wiele miejsca i wymagałoby zbyt dużego wy-siłku fizycznego do operowania nim. Z kolei dla wyższych wartości napięć nie byłyby zachowane warunki bezpieczeństwa, gdyż wiązałoby to się z doprowadzeniem wysokiego napięcia w pobliże stanowiska pracy prowadzącego pojazd. Sterowa-nie bezpośredSterowa-nie wykorzystywane jest główSterowa-nie w starszych typach tramwajów i trolejbusów. W po-jazdach nowo budowanych ten typ sterowania nie jest obecnie stosowany. Schemat ideowy, pokazu-jący zasadę sterowania bezpośredniego,

przedsta-wiono na rys. 3.2. Przy sterowaniu pośrednim wszystkie czynności łączeniowe w obwodzie głównym i pomocniczym pojazdu dokonywane są aparatami wyposażonymi w urządzenia napę-dowe uruchamiane przez prowadzącego za pomocą specjalnego układu, zwanego obwodem

sterowania. Idea tego rodzaju sterowania pokazana została na rys. 3.3. Sterowanie po-średnie może odbywać się w sposób nieau-tomatyczny, tzn. taki, gdzie każde kolejne przełączenie urządzeń w obwodzie głównym jest uwarunkowane dokonaniem przez pro-wadzącego odpowiedniego przełączenia w obwodzie sterowania, oraz w sposób automa-tyczny, gdzie cały szereg przełączeń w obwo-dzie głównym, następujących kolejno po sobie z uwzględnieniem czasu koniecznego dla ich dokonania, uzyskuje się za pomocą specjalnych układów sterowania, które pracu-ją same bez udziału prowadzącego. Metoda sterowania pośredniego umożliwia realizację tzw. sterowania ukrotnionego, czyli jednocze-snego prowadzenia kilku sprzężonych ze sobą pojazdów trakcyjnych tego samego typu z jednej kabiny sterowniczej. Systemy pośrednie nieautomatyczne wykorzystywane są powszechnie w lokomotywach starszych generacji. Sterowanie automatyczne dominuje w zespołach trakcyjnych i pojazdach komunikacji miejskiej. W nowoczesnych pojazdach wszystkich rodzajów stosowane jest wyłącznie sterowanie pośrednie automatyczne, gdyż inne metody sterowania pracą układów przekształtnikowych są niemożliwe do zrealizowania.

Rys. 3.2. Zasada sterowania bezpośrednie-go, gdzie: 1 – odbierak prądu; 2 – nastaw-nik; 3 – rezystor rozruchowy; 4 – silniki

trakcyjne

Rys. 3.3. Zasada sterowania pośredniego, gdzie:

1, 2, 3, 4 – patrz rys. 3.2; 5 – styczniki sterowane indywidualnie