Szczegółowy opis rozwiązań technicznych taboru > Napędy trakcyjne elektryczne i silniki trakcyjne

Rozpatrując temat napędów trakcyjnych na początku chciałbym wspomnieć o systemach trakcji elektrycznej (nie mylić z siecią trakcyjną), wykorzystywanych do zasilania elektrycznych pojazdów trakcyjnych.
W różnych państwach występują różne systemy trakcji elektrycznych pod względem zastosowanych wartości napięć w systemach zasilania. Podstawowy podział dzieli systemy zasilania na systemy prądu stałego (DC) i systemy prądu przemiennego (AC). W kolejnictwie pod względem wartości napięć w sieci trakcyjnej rozróżnia się cztery systemy zasilania - dwa dla systemu prądu stałego: 1500 V i 3000 V oraz dwa da systemu prądu przemiennego: 25000 V AC, 50Hz i 15000 V AC, 16,7 Hz.

W Polsce przyjęty został system zasilania trakcyjnego prądu stałego o napięciu 3000 V (3 kV).

Różnorodność systemów zasilania, powoduje kolejne, po różnych rozstawach szyn w torach, ograniczenie z punktu widzenia eksploatacji transgranicznej. Wymogi rynkowe wymusiły opracowanie elektrycznych pojazdów trakcyjnych wielosystemowych, czyli przystosowanych do kursowania pod różnymi napięciami w sieci trakcyjnej. Zastosowanie takich pojazdów ma duży wpływ na przyspieszenie przewozów oraz obniżenie kosztów w transporcie transgranicznym.


 
Dwusystemowy elektrowóz SIEMENS 1047 kolei MÁV
(15 kV AC i 25 kV AC)


 
Czterosystemowy elektrowóz SIEMENS E64U4 należący do PKP IC
(15 kV AC, 25 kV AC, 3 kV DC i 1,5 kV DC)


 
Trójsystemowy zespół trakcyjny ED250
(15 kV AC, 25 kV AC i 3 kV DC)


W pojazdach trakcyjnych wyróżniamy obwody elektryczne w odniesieniu do wartości i przeznaczenia napięć. Główny podział dzieli obwody elektryczne pojazdu na obwody wysokiego napięcia (WN) i obwody niskiego napięcia (WN).

a) Obwody WN to wszystkie obwody wysokiego napięcia w pojeździe. Dzielą się na obwód główny i obwody pomocnicze.
- Obwód główny to obwód trakcyjny, w którego skład wchodzą wszystkie urządzenia wysokiego napięcia związane z napędem pojazdu.
- Obwody pomocnicze WN to obwody wysokiego napięcia zasilające urządzenia wysokiego napięcia spoza obwodu głównego - np. ogrzewanie, przetwornice pokładowe itp.


b) Obwody NN to obwody sieci pokładowej (niskiego napięcia), służące do zasilania urządzeń pomocniczych takich jak np. aparatura sterownicza, urządzenia wewnętrzne oraz do ładowania baterii akumulatorów itp. Zasilanie sieci NN odbywa się w pojazdach elektrycznych z przetwornic pokładowych, natomiast w pojazdach spalinowych z generatorów prądu. Przetwornice pokładowe przetwarzają energię elektryczną z obwodu pomocniczego WN (napięcie z sieci trakcyjnej) na napięcia wykorzystywane w sieci pokładowej (np. 24 V, 3x400 V, 110 V, 230 V itp.) Ilość napięć pokładowych i wartość tych napięć zależy od wyposażenia i układów zastosowanych na pojazdach. Generatory w pojazdach spalinowych to prądnice, które napędzane przez silnik spalinowy wytwarzają energię elektryczną o odpowiednich dla danego pojazdu wartościach napięć.


Napęd pojazdów elektrycznych i spalinowych z przekładnią elektryczną realizują elektryczne silniki trakcyjne, czyli maszyny elektryczne, przetwarzające energię elektryczną w ruch obrotowy, wprawiający w ruch koła. Poniżej znajduje się odnośnik do opisu silników trakcyjnych stosowanych w pojazdach szynowych.


   Silniki trakcyjne i układy chłodzenia silników


Różnorodność systemów trakcyjnych stosowanych na świecie wymusiła opracowanie odpowiednio przystosowanych do nich napędów trakcyjnych.
W przypadku systemów prądu przemiennego, przy zastosowaniu silników trakcyjnych prądu stałego w obwodzie głównym stosuje się transformatory i prostowniki, czyli przekształtniki przetwarzające prąd przemienny na prąd stały. Przy silnikach na prąd przemienny (indukcyjnych) - transformatory i falowniki.
W systemach prądu stałego przy zastosowaniu silników prądu stałego stosuje się układy odpowiednio regulujące wartości prądu jakim zasilane są silniki trakcyjne (rozruch oporowy lub nowoczesny chopperowy), natomiast przy stosowaniu w pojeździe silników prądu przemiennego (indukcyjnych) w układzie napędowym stosuje się falowniki, czyli przekształtniki przetwarzające prąd stały z sieci trakcyjnej na trójfazowy prąd przemienny o odpowiedniej częstotliwości, którym zasilane są silniki trakcyjne.

Poniższe opisy dotyczą napędów trakcyjnych w systemie prądu stałego.


   Napęd stycznikowo-oporowy z silnikami szeregowymi


   Napęd impulsowy z silnikami szeregowymi


   Napęd impulsowy z silnikami indukcyjnymi