Współczesne napędy elektryczne. Asynchroniczny napęd tramwaju

Podstawowym zadaniem układu napędowego tramwaju jest przetworzenie energii elektrycznej na siłę napędową i doprowadzenie jej do kół. Istnieje wiele rozwiązań technicznych, pozwalających uzyskać ten rezultat. Napęd wciąż doskonali się, aby spełniał coraz wyższe wymogi. Podstawowe wymogi techniczne dotyczą niezawodnej pracy i najniższego zużycia energii. Do istotnych wymogów należą też: płynność rozruchu, duży zakres regulacji przyspieszenia, niska emisja hałasu. Współcześnie optymalnym rozwiązaniem jest napęd asynchroniczny –czyli napęd z trójfazowymi silnikami prądu zmiennego.

W tramwajowych układach napędowych najszerzej rozpowszechnione były silniki szeregowe prądu stałego. Silniki te cechowały się dobrym momentem napędowym, a aparatura służąca do ich rozruchu miała prostą konstrukcję. Początkowo stosowano ręczne nastawniki z zestykami, później wprowadzono styczniki rozruchowe, bębnowe rozruszniki, aż do zastosowania sterowania impulsowego z elementami półprzewodnikami. Rozwój techniki półprzewodnikowej umożliwił eliminację strat energii w elementach oporowych. Dzięki opracowaniu układów mikroprocesorowych możliwe było natomiast zbudowanie falowników mogących sterować silnikami asynchronicznymi w zmiennych stanach dynamicznych. Tym samym, silniki prądu stałego zostały zastąpione w układzie napędowym tramwaju silnikami prądu zmiennego.

Asynchroniczny napęd w tramwaju składa się z 3 podstawowych elementów:

·        Odbierak prądu

·        Falowniki

·        Silniki elektryczne

Przykładowo, dla znanego z ulic Warszawy tramwaju PESA 120Na, jest to 1 odbierak, 4 falowniki oraz 4 silniki. Są to produkty: Stemmann Fb 700, Medcom FT106-600 oraz VEM Sachsenwerk DKCBZ 0211-4DA.

Silniki trójfazowe są od dawna szeroko rozpowszechnione w przemyśle i w maszynach. Ich podstawowe zalety to prosta budowa i obsługa oraz wysoka sprawność. Do ich zasilania potrzebny jest jednak prąd zmienny. Nie jest wystarczające jedynie obniżenie napięcia, zwiększanie go a następnie zmniejszanie pola wzbudzenia, tak jak w silnikach szeregowych prądu stałego. Należy pokonać kilka problemów technicznych. Po pierwsze, konieczne jest wytworzenie prądu przemiennego o trzech fazach. Aby tego dokonać, wykorzystuje się klucze tranzystorowe. Tranzystory, pracując w odpowiednim cyklu, o zmiennym stosunku czasów otwarcia i zamknięcia, wytwarzają na bazie dostarczonego do falownika prądu stałego prąd zmienny o sinusoidalnym, falowym przebiegu. Dla samego wytworzenia fali prądu przemiennego nie jest konieczne wykorzystanie techniki tranzystorowej, jednakże dla umożliwienia rozruchu silnika asynchronicznego konieczna jest zmiana częstotliwości prądu zmiennego w parze z napięciem, co wymaga już zastosowania techniki tranzystorowej.

Prąd elektryczny przechodzi poprzez odbierak i kierowany jest kablami wysokiego napięcia do rozdzielni wysokiego napięcia. Stamtąd kierowany jest do 4 falowników, a z nich –po przetworzeniu –do 4 silników elektrycznych. Najistotniejszym ogniwem są sterowane mikroprocesorowo falowniki. Realizują one kilka funkcji. Po pierwsze, przekształcają prąd stały na prąd zmienny, trójfazowy. Po drugie, zmieniają częstotliwość i napięcie prądu zmiennego celem dokonania rozruchu silników. Początkowo sterownik falownika przeprowadzał rozruch zwiększając napięcie i częstotliwość z utrzymaniem stałego stosunku napięcia i częstotliwości. Była to metoda skalarna sterowania silnikiem. Gdyby zmieniano tylko częstotliwość, to doprowadziłoby to do spadku momentu obrotowego. Tymczasem, pożądana jest stała wartość momentu obrotowego, tak aby rozruch był płynny. W rezultacie, wraz ze wzrostem częstotliwości, proporcjonalnie zwiększa się napięcie w fazach. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach, ze sterowaniem wektorowym, wprowadzono sprzężenie zwrotne w układzie sterowania w postaci pomiaru natężenia prądu. Natężenie prądu płynącego w uzwojeniu silnika przy zadanych wielkościach napięcia i częstotliwości daje informację o jego obciążeniu. W rezultacie, możliwe jest bieżące dopasowanie programu rozruchu do zmiennego stanu dynamicznego –przy przyspieszaniu lub zwalnianiu. Rozwiązanie takie pozwala na zmniejszenie zużycia energii.

Podsumowując, rolą falownika jest zamiana prądu stałego na prąd zmienny o sterowanych parametrach. Sterownik falownika śledzi pracę silnika oraz sygnały przyspieszania i hamowania zadawane przez motorniczego. Na podstawie tych zmiennych podejmowana jest decyzja o zmianie napięcia i częstotliwości prądu w fazach.

Sam silnik asynchroniczny jest maszyną indukcyjną. Zasilane w nim są uzwojenia stojana, zaś wirnik ma postać klatki odizolowanej od obudowy. W uzwojeniach o kilku biegunach płynie prąd trójfazowy. Jego przepływ wywołuje indukowanie pola magnetycznego, przecinającego wirnik. Ponieważ prąd płynie w trzech przesuniętych wzajemnie fazach, to pole magnetyczne zaczyna wirować. Gdy przecina ono pręty wirnika, to indukuje się w nich prąd. Pole magnetyczne, oddziałując na pręty wirnika z płynącym prądem, wywołuje jego obrót. Pole magnetyczne wiruje z tak zwaną prędkością synchroniczną. Musi być ona większa niż prędkość wirnika, aby zaindukował się w nim prąd. W rezultacie, wirnik obraca się z poślizgiem względem prędkości wirowania pola. Stąd też bierze się nazwa –silnik asynchroniczny –od asynchronicznego obracania się wirnika względem wirującego pola magnetycznego.

Powstała w silniku siła napędowa jest poprzez przekładnię przenoszona na zestaw kołowy i napędza tramwaj.